复合微/纳梯度超疏水膜的制备及其低温膜蒸馏性能研究- Desalination
国家重点研发计划青年科学家项目(2021YFC2901300)研究成果
由于全球人口增长和经济发展,淡水资源短缺成为当今世界面临的重大挑战之一。膜蒸馏（MD）作为一种热法与膜法耦合的高效分离技术，可利用废热回收或余热回收作为其热动力，在海水淡化及高盐废水处理中展现出极大的优势与潜力。但通量低、过程中易润湿等问题制约了膜蒸馏技术的进一步发展。因此，对膜蒸馏材料进行改性，开发具有高水通量和抗润湿性能良好的膜蒸馏用膜是当下研究的热点之一。
近日，大连理工大学高性能膜与膜耦合过程强化团队在《Desalination》期刊上发表了题目为“Tailored PVDF membrane with coordinated interfacial nano/micro-structure for enhanced membrane distillation”的论文 (Desalination 2024, 573, 117177)。通过负载 SiO2 纳米颗粒构建纳米级表面粗糙结构，修饰低表面能物质，成功制备出具有复合微纳梯度粗糙结构的PVDF复合膜。通过调控负载的SiO2 纳米颗粒粒径可以改变其表面润湿性，所制备的复合膜水接触角最高可达 152°。建立了SiO2纳米颗粒粒径与成核能垒关系模型，模型和实验结果表明优化负载的纳米颗粒尺寸可以增强膜蒸馏的渗透通量和防污性能。最佳L-F-3膜在进料温度为60 ℃，3.5 wt% NaCl的条件下获得了高通量（16.08kg/（m2·h））。本研究中揭示的不同尺寸的纳米颗粒涂层对膜蒸馏性能的影响对超疏水膜的改性及膜蒸馏用膜的设计提供了一定的参考。
图文速览
1. 复合微/纳梯度超疏水膜的制备及其性能表征
图1 复合微/纳梯度超疏水膜的制备及关键结构分析表征结果
使用如图1(a)所示的流程制备复合微/纳梯度超疏水膜。首先对PVDF膜进行表面活化引入活性基团，之后利用原位溶胶凝胶法在膜表面原位生长二氧化硅纳米粒子，提高膜的粗糙度，最后引入低表面能物质 PFDTS 对其进行疏水处理。改性后膜表面有大量颗粒附着，并且多接近于球形，在极大程度上保留原有的孔道，成功构建了复合微/纳梯度膜。为进一步强化膜表面性质，研究团队对负载的SiO2纳米颗粒粒径和膜孔径进行了调控，所制备的复合膜水接触角最高可达152°。
2. 低温膜蒸馏性能测试
图2 改性膜的(a)水通量和渗透测电导率(b)平均通量和通量衰减率(3.5 wt% NaCl，进料温度：60 ℃，渗透测真空度0.098 MPa)
对两种孔径负载不同粒径纳米颗粒的改性膜进行低温膜蒸馏测试。改性后的膜具有良好的脱盐性能，渗透电导率均小于15 μs/cm。纳米颗粒粒径的变化导致了膜表面不同的微观结构，从而影响了膜的通量。在高基膜孔径和最优负载粒径的共同作用下，H-F-3表现出最高的渗透通量，为16.08 kg/(m2h) 。
3. 分离机理探究
图3 具有不同界面结构的改性膜的成核因子f (m，R')的比较
在膜蒸馏过程中，膜界面的存在会降低成核势垒，增加了在膜表面诱导成核的风险。研究团队结合膜表面的纳米界面结构和疏水性进行了成核能垒模型计算。计算发现随着SiO2的粒径上升，接触角上升，f 因子增加，异相成核能垒增加并且趋近于均相成核能垒，抗诱导成核性能增加，提升了膜的抗污染能力。
图4 膜结构对MD性能的影响(a)抗润湿性能(b)渗透通量和抗污能力随SiO2尺寸的变化。
当膜表面有SiO2纳米粒子进行负载时，微/纳米结构呈现二元粗糙度，产生了“抬升”效应。在相同的有效膜面积内，负载SiO2纳米颗粒的膜表面将气液相接触线保持在纳米颗粒上方，而不是原膜的孔表面，提高了抗润湿性能。随着颗粒粒径的增大，提供更大的传质面积。但二氧化硅纳米颗粒不仅均匀地分散在膜表面，而且负载在基膜的孔内。这一方面可以起到防止液体侵入保护层的作用，但另一方面，这也导致了更大的传质阻力，在膜上会出现一些“盲孔”，降低了通量。因为，适当的粒径可以在不堵塞孔道的情况下增大有效蒸发面积，强化通量。此外，纳米颗粒粒径的增加强化了膜表面的湍流，降低了浓差极化的影响；并且增加了f因子，同时气液接触面积增大，降低了成核倾向，提高了膜的抗污染性能，降低了通量衰减现象。因此在膜表面负载合适大小的纳米颗粒有助于协同提高抗润湿性、抗污染性、有效蒸发面积。
以上研究成果发表于化工分离领域重要期刊《Desalination》。论文的第一作者为大连理工大学在读博士研究生孙冰，通讯作者为大连理工大学助理研究员贾元东博士，姜晓滨教授。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目(2021YFC2901300)支持。
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916423008093?via%3Dihub
作者团队简介
第一作者：
孙冰
大连理工大学博士研究生
通讯作者：
贾元东 博士后
贾元东，助理研究员。主要研究方向：超浸润功能材料在水处理分离膜上的应用，主要涉及膜蒸馏及油水分离方面的应用。目前以第一作者分别在Water Research、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Membrane Science、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊发表论文6篇
姜晓滨 教授
姜晓滨，教授，博士生导师，国家级青年人才。现任大连理工大学化工学院副院长，辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室主任。国家重点研发计划青年科学家项目负责人，基金委创新研究群体核心成员。主要从事膜结晶和化工过程耦合强化研究。在AIChE J、Adv Funct Mater、ACS Nano、Chem. Eng. Sci.、J Membr Sci、ACS Appl Mater Inter、Engineering、Desalination等发表SCI论文80余篇。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家重大科研仪器研制项目子课题、面上项目、“兴辽英才”计划项目、大连市高端人才培养计划、企业研发项目等20余项。授权中国发明专利20余项，授权国际专利3项
