高分子科學(xué)前沿11月23日訊：高鹽水的分離與凈化是解決全球水資源問(wèn)題、緩解淡水短缺和水污染的當(dāng)務(wù)之急。膜蒸餾(MD)由于其對(duì)鹽濃度的低敏感性、高能源效率和高設(shè)備集成度，已成為一種很有前景的高鹽水綜合處理技術(shù)。盡管如此，高性能MD卻必須在高滲透通量和高效防污之間作一取舍：高滲透通量MD需具有適當(dāng)?shù)谋砻婵紫堵屎妥銐虻挠行д舭l(fā)面積，然而，高滲透通量必然導(dǎo)致膜界面嚴(yán)重的濃差極化，產(chǎn)生過(guò)飽和區(qū)，加劇界面核化和結(jié)垢。

        受荷葉的超疏水性和魚(yú)鰓的不堵塞功能所啟發(fā)，近日，大連理工大學(xué)賀高紅教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)聚丙烯(PP)微孔膜進(jìn)行化學(xué)改性，誘導(dǎo)微/納米SiO2顆粒在膜界面上有序生長(zhǎng)，并對(duì)微/納米梯度結(jié)構(gòu)進(jìn)行氟硅烷修飾，成功研發(fā)出具有高滲透通量和高效防污性能的MD膜(F-nmSiO2-PP/N)。納米級(jí)SiO 2可以加劇界面的納米級(jí)湍流，防止晶體沉積，其作用類似于魚(yú)鰓，同時(shí)納米級(jí)結(jié)構(gòu)使得具有異相成核屏障的膜與均相體系非常相似，從而有效地阻礙誘導(dǎo)成核，其作用類似于荷葉。該項(xiàng)工作以題為“Bioinspired Hybrid Micro/Nanostructure Composited Membrane with Intensified Mass Transfer and Antifouling for High Saline Water Membrane Distillation”發(fā)表在《ACS Nano》上。

圖1. F-nmSiO2-PP/N制備和表征。

        如圖1所示，與PP和mSiO 2-PP/N相比，F(xiàn)-nmSiO 2-PP/N表面呈現(xiàn)出微/納米梯度結(jié)構(gòu)和足夠的孔徑，疏水性和界面粗糙度顯著增加，并且在pH值為6-8的溶液中，F(xiàn)-nmSiO 2-PP/N的zeta電位明顯減弱，因此在Cl 和Na +水溶液中，F(xiàn)-nmSiO 2-PP/N可以在高度負(fù)的界面與氯基團(tuán)之間表現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的排斥作用。這些特征均有助于提高膜滲透通量和防污性能。

圖2. F-nmSiO2-PP/N高膜滲透通量和防污性能作用機(jī)制。

        類似于荷葉表面的突起，F(xiàn)-nmSiO 2-PP/N界面的微/納米梯度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出半球狀突起，保留了更多的氣隙，使得有效蒸發(fā)面積和滲透通量大大增加（圖2a, b）。借鑒魚(yú)鰓的梳狀多層微/納米結(jié)構(gòu)，F(xiàn)-nmSiO 2-PP/N的微/納米梯度結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增強(qiáng)表面湍流度，保證表面無(wú)結(jié)垢晶體，降低表面成核傾向，同時(shí)CFD模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膜表面所形成的納米級(jí)旋渦可以有效地縮短鹽離子與膜表面相互作用的局部停留時(shí)間，減少晶體沉積（圖2c, d）。

圖3. F-nmSiO2-PP/N高鹽水MD測(cè)試。

        高鹽水MD測(cè)試表明F-nmSiO2-PP/N滲透通量高達(dá)23.0 kg/(m2·h)，PP和F-mSiO2-PP/N表面存在大量NaCl結(jié)晶，而F-nmSiO 2-PP/N表面無(wú)結(jié)晶，驗(yàn)證了F-nmSiO 2-PP/N卓越的防污性能（圖3a, b）。研究還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-nmSiO 2-PP/N表面非常堅(jiān)韌，能夠抵御水的滲透，并且多次循環(huán)使用后依然保持高滲透通量，可以用于長(zhǎng)期間歇高鹽水分離（圖3c-e）。

圖4. F-nmSiO2-PP/N與傳統(tǒng)MD膜性能對(duì)比圖。

        綜上所述，作者突破了高滲透量與防污之間的界限，在PP表面引入微/納米梯度結(jié)構(gòu)和超疏水性基團(tuán)，制備出既能高效滲透又能長(zhǎng)效防污的MD膜，這是靜電紡絲等傳統(tǒng)方法所無(wú)法企及的（圖4）。所制備的高滲透通量和高效防污復(fù)合膜在海水淡化方面具有潛在的應(yīng)用，而且該項(xiàng)研究成果為高性能膜的設(shè)計(jì)和研發(fā)開(kāi)辟了新途徑。