高分子科學前沿11月23日訊：高鹽水的分離與凈化是解決全球水資源問題、緩解淡水短缺和水污染的當務之急。膜蒸餾(MD)由于其對鹽濃度的低敏感性、高能源效率和高設備集成度，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?shù)谋砻婵紫堵屎妥銐虻挠行д舭l(fā)面積，然而，高滲透通量必然導致膜界面嚴重的濃差極化，產(chǎn)生過飽和區(qū)，加劇界面核化和結(jié)垢。

        受荷葉的超疏水性和魚鰓的不堵塞功能所啟發(fā)，近日，大連理工大學賀高紅教授團隊通過對聚丙烯(PP)微孔膜進行化學改性，誘導微/納米SiO2顆粒在膜界面上有序生長，并對微/納米梯度結(jié)構(gòu)進行氟硅烷修飾，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SiO 2可以加劇界面的納米級湍流，防止晶體沉積，其作用類似于魚鰓，同時納米級結(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成核，其作用類似于荷葉。該項工作以題為“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可以在高度負的界面與氯基團之間表現(xiàn)出更為強烈的排斥作用。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)可以通過增強表面湍流度，保證表面無結(jié)垢晶體，降低表面成核傾向，同時CFD模擬實驗發(fā)現(xiàn)，膜表面所形成的納米級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間，減少晶體沉積（圖2c, d）。

圖3. F-nmSiO2-PP/N高鹽水MD測試。

        高鹽水MD測試表明F-nmSiO2-PP/N滲透通量高達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表面無結(jié)晶，驗證了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，制備出既能高效滲透又能長效防污的MD膜，這是靜電紡絲等傳統(tǒng)方法所無法企及的（圖4）。所制備的高滲透通量和高效防污復合膜在海水淡化方面具有潛在的應用，而且該項研究成果為高性能膜的設計和研發(fā)開辟了新途徑。