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山東大學王志寧教授團隊《ACS AMI》：類水凝膠Janus膜用于膜蒸餾過程高效抗潤濕、抗污染

2023-04-13 來源：高分子科技

膜蒸餾（MD）技術是一種熱法與膜法相耦合的脫鹽技術，具有對進料液鹽濃度不敏感、可利用低品位熱源、出水品質高、設備簡單可模塊化等突出優勢，在高鹽廢水處理領域頗具潛力。然而，MD技術的核心疏水微孔膜，面臨膜污染、膜潤濕等挑戰，造成截鹽和通量大幅度下降，限制了MD技術的實際工程應用。Janus MD膜被證明能夠同時克服由兩親性表面活性劑類物質引發的膜潤濕，以及由油類等有機物引發的膜污染。目前，如何通過簡單高效的策略，構筑兼具高滲透通量、抗污染、抗潤濕和長期穩定性的Janus MD膜仍然是挑戰所在。

近期，山東大學環境科學與工程學院王志寧教授團隊制備了聚乙烯醇/單寧酸（PVA/TA）類水凝膠Janus MD膜，用于膜蒸餾過程的高效抗潤濕、抗污染。首先，在疏水微孔膜表面采用仿生粘合策略構筑聚多巴胺/聚乙烯亞胺（PDA/PEI）中間層，以增強后續親水功能層與疏水支撐層之間的相容性與結合力。然后，采用“刮涂-干燥收縮-再水合”工藝，并引入TA作為氫鍵增強劑，構筑了PVA/TA Janus MD膜（圖1）。這一工藝簡單溫和、綠色環保，有利于放大生產。得益于PVA/TA涂層類似于水凝膠高平衡水含量和低蒸發焓的特性，微米級厚度涂層的引入，依然保障了膜蒸餾過程的高滲透通量（圖2）。

圖1 PVA/TA類水凝膠Janus MD膜的制備示意圖

圖2類水凝膠功能層表征與膜脫鹽性能評價

如圖3所示，PVA/TA涂層復合后，膜表現出致密的表面形貌、增大的液體進入壓力（LEP，1.01 ± 0.02 MPa）和抑制的表面活性劑（SDS）擴散，這將有利于復合膜的抗潤濕性能。此外，PVA/TA類水凝膠涂層賦予復合膜與原膜相反的潤濕特性，在空氣中高親水、在水下超疏油，能夠抵抗油類物質的污染。因此，當處理含3.5 wt% NaCl、1000 ppm礦物油和0.1 mM SDS的溶液時，類水凝膠Janus MD膜展現出了穩定的滲透通量和接近100%的截鹽率，能夠穩定運行90 h，大大增強了MD膜的服役性能（圖4）。

圖3膜的形貌結構、液體進入壓力、表面活性劑擴散和潤濕特性

圖4 類水凝膠Janus MD膜同時抗潤濕、抗污染性能

此外，當在去離子水中長期儲存21天后，類水凝膠Janus膜依然維持了良好的結構完整性，以及優異的同時抗潤濕、抗污染性能。復合膜良好的穩定性主要得益于制膜過程中聚合物涂層的致密化過程，以及PVA/TA類水凝膠層與PDA/PEI改性基膜之間的多重界面氫鍵相互作用，這將有利于膜在實際場景中的應用。

該工作以“Janus Membrane with Hydrogel-like Coating for Robust Fouling and Wetting Resistance in Membrane Distillation”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。該論文第一作者是山東大學張娜博士后，通訊作者為王志寧教授。該研究得到國家自然科學基金、中國博士后基金、山東省自然科學基金、山東省博士后創新項目的資助和支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c02781

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（責任編輯：xu）

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