膜蒸馏（MD）由于其对盐浓度耐受性强、能源效率高等优势，已成为一种很有前景的高盐水综合处理技术。然而，高性能MD过程却往往需要在高渗透通量和高效防污之间作一取舍：高渗透通量MD需具有适当的表面孔隙率和足够的有效蒸发面积，然而，高选择性渗透极易导致膜界面严重的浓差极化，产生界面过饱和区，加剧界面非均相核化和结垢。
受荷叶超疏水性和鱼鳃不堵塞的功能启发，大连理工大学贺高红教授、姜晓滨教授通过对聚丙烯（PP）微孔膜进行化学改性，诱导微/纳米SiO2颗粒在膜界面上有序生长，并对微/纳米梯度结构进行氟硅烷修饰，成功研发出具有类似荷叶和鱼鳃双重仿生结构MD复合膜（F-nmSiO2-PP/N，图1a），实现膜蒸馏过程的高渗透通量和高防污性能协同提升。
项目团队研制的F-nmSiO2-PP/N膜，表面微、纳多级结构与疏水基团，显著增加膜界面的粗糙度和疏水性，并利用道南效应，实现对氯离子的排斥；同时，F-nmSiO2-PP/N膜表面微米级超疏水结构呈现半球状类似荷叶表面的规则突起，保留更多气隙，显著增大有效蒸发面积和渗透通量（图1b）。另一方面，纳米尺度的连续突起结构，在界面构建了纳米级的微湍流，显著增强复合膜界面流体湍动程度；CFD模拟结果表明，膜表面所形成的纳米级旋涡可以有效地缩短盐离子与膜表面相互作用的局部停留时间，减少晶体沉积（图1c，d）。
图1 F-nmSiO2-PP/N的仿生结构阐释及高通量和抗污性能作用机制
高盐水（3.5wt%）MD测试表明F-nmSiO2-PP/N渗透通量达到22.0 kg/(m2·h)，且连续运行后F-nmSiO2-PP/N表面无明显结晶沉积（图2a, b）。研究还发现，F-nmSiO2-PP/N表面非常坚韧，能够在长时间超高盐浓度（15 wt%）连续运行、间歇式不清洗运行等严苛条件下保证通量稳定，抗污染性能优异（图2c-e）。
图2 F-nmSiO2-PP/N高盐水MD测试
以上成果发表在ACS Nano（ACS Nano 2020, 14, 17376–17386）。论文的第一作者为姜晓滨教授，第二作者为邵钰珊硕士，通讯作者为贺高红教授。该研究得到了国家自然科学基金（22021005，21978037，21676043）、科技部重点领域创新团队项目（2016RA4053）、“兴辽英才”计划项目、大连理工大学科研创新团队专题（DUT19TD33）支持。
