膜蒸餾(membrane distillation, MD)是一種基于氣-液平衡原理的熱驅(qū)動膜分離技術(shù)。在疏水膜兩側(cè)，熱側(cè)蒸汽透過膜孔在冷側(cè)冷凝，而熱側(cè)溶液中的溶質(zhì)被截留(理論截留率為100%)。MD的驅(qū)動力為疏水膜兩側(cè)由溫差產(chǎn)生的蒸汽壓差；由于蒸汽壓受鹽濃度影響較小，MD可處理高鹽廢水如反滲透(RO)濃水和高鹽工業(yè)廢水等。與壓力驅(qū)動的膜分離技術(shù)如RO相比，MD的操作壓力低、出水水質(zhì)好；此外，MD的操作溫度較低，可利用低品質(zhì)熱能如工廠廢熱、地?zé)岷吞柲艿葹橹峁┠芰慷艿綇V泛關(guān)注。
膜蒸餾膜是MD技術(shù)的核心。傳統(tǒng)的疏水膜在長期運行過程中會發(fā)生膜浸潤，導(dǎo)致熱測溶質(zhì)透過膜到達冷側(cè)，使出水水質(zhì)惡化，嚴(yán)重阻礙MD技術(shù)的應(yīng)用。此外，含鹽工業(yè)廢水通常含有有機污染物，其中不乏加劇膜浸潤的低表面張力物質(zhì)，如表面活性劑和有機溶劑等，造成MD過程快速失效。因此，開發(fā)能有效抵抗低表面張力物質(zhì)浸潤的膜蒸餾膜具有重要的意義。
圖1：氟化機理示意圖
鑒于此，污染防治材料與技術(shù)研究組聯(lián)合澳大利亞聯(lián)邦科工組織(CSIRO)Manufacturing材料與催化研究組，開發(fā)了一種能夠有效抵抗低表面張力物質(zhì)浸潤的靜電紡納米纖維疏水疏油雙疏膜。利用靜電紡納米纖維膜固有的凹角結(jié)構(gòu)，進一步用氣相沉積法在疏水聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)納米纖維表面進行氟化改性，降低纖維的表面能，成功獲得雙疏特性，其水接觸角和乙醇接觸角分別高達154.1±0.1°和122.6 ±1.7°。該膜的雙疏特性具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，即使在苛刻條件如超聲、沸水或酸堿處理后，其水接觸角和乙醇接觸角仍可保持不變。XPS和FTIR表征結(jié)果表明氟化的可能機制為氟化劑疏水鏈與纖維表面PVDF-HFP的物理相互作用及氟化劑親水基之間的水解縮聚作用(圖1)。此外，該雙疏膜在動態(tài)膜蒸餾過程處理含高濃度表面活性劑鹽水時表現(xiàn)出優(yōu)異的脫鹽性能，長時間運行過程中產(chǎn)水的電導(dǎo)率始終低于3 μs cm-1(圖2)，脫鹽率大于99.99%。該研究為高效雙疏膜的制備提供了一種有效的策略，有望推進MD技術(shù)在含鹽工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用。
圖2：膜蒸餾處理含表面活性劑鹽水測試：A疏水膜；B雙疏膜
研究成果以O(shè)mniphobic surface modification of electrospun nanofiber membrane via vapor deposition for enhanced anti-wetting property in membrane distillation為題發(fā)表在Journal of Membrane Science上，城市環(huán)境研究所的吳小瓊博士為第一作者，鄭煜銘研究員和CSIRO的Zongli Xie研究員為共同通訊作者。該研究得到了CSIRO Manufacturing、國家自然科學(xué)基金(51978639)以及國學(xué)留學(xué)基金委(No. 201804910664)的資助。
原標(biāo)題：城市環(huán)境研究所在雙疏膜蒸餾膜研究方面取得進展
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