基于界面成核能垒调控理论设计构建的超疏水微孔膜实现多元高盐水处理

基于界面成核能垒调控理论设计构建的超疏水微孔膜实现多元高盐水处理

（J. Membr. Sci., 2019, 579, 240-252）

化工、医药等行业的多元高盐废水治理一直是我国工业绿色发展、清洁生产亟待解决的关键问题之一。膜蒸馏作为一种以微孔疏水膜为分离介质的热驱动膜分离技术，可以有效实现高浓度盐水体系处理，具有高效低耗、环境友好等特点。其中，超疏水膜是膜蒸馏过程的核心部件，研发具有超疏水性、抗污染性及长期运行稳定性的膜蒸馏用膜是该技术实现工业化应用的核心问题。

大连理工大学膜科学与技术团队的姜晓滨教授提出利用表面改性的方法，通过负载SiO₂纳米颗粒构建表面粗糙结构，接枝1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTS）降低膜表面能；同时建立考虑纳米颗粒直径、膜表面接触角、表面粗糙度等参数的成核能垒模型，预测膜界面几何参数对膜界面诱导成核能垒，揭示了表面颗粒尺寸、临界成核尺寸、膜表面超疏水性与异相成核能垒的影响机制，进一步指导膜表面结构优化。研究表明，当纳米颗粒尺寸约为50 nm时，制备的超疏水聚丙烯（PP）微孔复合膜具有优异的抗污染性、抗润湿性和通量稳定性，静态水接触角可达158.5^o（图1）。

图1 不同条件的超疏水F/SiO2/PP-OH膜性质测试结果 （A）模拟膜表面诱导成核参数；（B）膜表面结构表征；（C）膜表面性质；（D）膜蒸馏通量

（图片来源：J. Membr. Sci., 2019, 579, 240-252）

研发的超疏水膜应用于真空膜蒸馏中处理高浓度NaCl (15 wt%)/MgCl₂ (3 wt%- 9 wt%)混合溶液，测试了不同流速（45-340 mL/min）及进料浓度对膜性能的影响，分析了溶液中Na⁺和Mg²⁺的结构特征对膜渗透通量和浓差极化效应的影响机制。结果表明，当进料溶液MgCl₂浓度为6 wt%和9 wt%时，制备的超疏水膜仍显示出良好的通量稳定性，其通量衰减率仅为PP原膜的1/4（图2）。当进料流速降低时，原膜通量显著下降，制备的超疏水膜通量较为稳定，证明了超疏水膜可有效减轻浓差极化现象的优越性能。同时，制备的超疏水膜在连续运行后，依然保持了清洁的表面、断面结构，表现出优异的抗润湿性、抗污染性和高浓度盐耐受性（图3）。

图2 不同进料浓度对PP原膜和超疏水F/SiO₂/PP膜渗透通量的影响

（图片来源：J. Membr. Sci., 2019, 579, 240-252）

图3 PP原膜（A、B）和超疏水F/SiO₂/PP膜（C）处理不同浓度溶液后的膜断面SEM图（图片来源：J. Membr. Sci., 2019, 579, 240-252）

以上相关成果发表在Journal of Membrane Science上（J. Membr. Sci., 2019, 579, 240-252）。论文的共同第一作者为硕士生邵钰珊和韩明光，通讯作者为姜晓滨教授。该领域的研究得到了国家自然科学基金（21676043, 21527812）、科技部重点领域创新团队（2016RA4053）支持。

论文链接：