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  零液體排放（ZLD）可以最大限度地提高水的回收率，并且避免廢水外排對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)，是一種近乎理想的廢水管理策略。廢水中通常包含廣譜的有機(jī)污染物和高濃度的無(wú)機(jī)鹽，因此需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的預(yù)處理和脫鹽過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)零液體排放，但這種非直接的零液體排放系統(tǒng)成本和能耗巨大。膜蒸餾（MD）技術(shù)能夠處理反滲透技術(shù)無(wú)法處理的超高鹽度廢水，而且可以回收利用工業(yè)廢熱，有望實(shí)現(xiàn)低成本的直接零液體排放。傳統(tǒng)的膜蒸餾技術(shù)采用疏水多孔膜將熱鹽水與冷淡水分離。然而，疏水多孔膜存在很高的膜潤(rùn)濕風(fēng)險(xiǎn)，有機(jī)物污染與無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢都會(huì)降低疏水膜的疏水性，從而引起熱鹽水與冷淡水跨膜混合，使得系統(tǒng)喪失脫鹽能力。雖然通過(guò)界面工程可以提高疏水膜對(duì)某一類(lèi)污染物的抗污性，但是開(kāi)發(fā)具有廣譜抗污性的膜是膜蒸餾領(lǐng)域的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

  針對(duì)膜污染的問(wèn)題，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心周軍教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新范式膜蒸餾策略，即采用親水無(wú)孔的電荷梯度水凝膠(CGH)膜替代傳統(tǒng)的疏水多孔膜。這種電荷梯度水凝膠膜具有準(zhǔn)固態(tài)結(jié)構(gòu)，可以把液體鹽水與有機(jī)污染物約束在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，因此具有抵抗有機(jī)污染的特性。同時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)上的電荷梯度提供了巨大的滲透壓泵效應(yīng)，使得膜在快速輸運(yùn)水分的同時(shí)，將部分無(wú)機(jī)鹽阻擋在外，因此具有防止鹽垢污染的特性。此外，由于蒸發(fā)發(fā)生在滲透?jìng)?cè)，蒸汽的傳質(zhì)阻力大大減小，電荷梯度水凝膠膜的水通量相比商業(yè)的聚四氟乙烯（PTFE）膜可提高60%-110%。基于以上優(yōu)勢(shì)，該電荷梯度水凝膠膜能夠?qū)袕V譜污染物（500 mg L^-1）的高鹽廢水（130 g L^-1）進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)200 h的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定脫鹽處理。該技術(shù)為高鹽廢水脫鹽的直接零液體排放開(kāi)辟了一條有嶄新的道路。

圖1. 傳統(tǒng)膜蒸餾與基于CGH的膜蒸餾的對(duì)比。具有疏水性多孔膜的傳統(tǒng)膜蒸餾具有高的蒸汽傳質(zhì)阻力，而且容易被有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶污染；基于CGH的膜蒸餾的蒸汽傳質(zhì)阻力低，并且可防止有機(jī)污染與無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢。

圖2.  CGH膜的電荷梯度結(jié)構(gòu)和輸水性能。a）CGH膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖；b）一卷CGH膜的照片（500厘米乘15厘米）；c）干燥的CGH的橫截面SEM圖像和 d，e）鈉元素（d）和硫元素（e）對(duì)應(yīng)的EDS圖譜；f）具有不同帶電單體比例的電荷均質(zhì)水凝膠（CHH）的水結(jié)構(gòu)和輸水速率；g）在帶有相同電荷單體比的CHH（左）和CGH（右）膜中模擬水的傳輸速度。

圖3. CGH的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和脫鹽性能。a）在由各種無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)污垢組成的高鹽度廢水連續(xù)脫鹽過(guò)程中，基于CGH的膜蒸餾的水通量和滲透離子傳導(dǎo)率；b）脫鹽前后的照片和相應(yīng)的離子電導(dǎo)率；c）脫鹽前后所測(cè)廢水中四種主要陽(yáng)離子的濃度；d）脫鹽前后廢水的拉曼光譜。

  相關(guān)論文以題為Charge‐Gradient Hydrogels Enable Direct Zero Liquid Discharge for Hypersaline Wastewater Management發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2021, 2100141)上。論文的第一作者為華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心博士生謝文科，通訊作者為周軍教授和段將將副教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100141?af=R

  下載：Charge‐Gradient Hydrogels Enable Direct Zero Liquid Discharge for Hypersaline Wastewater Management