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  正滲透作為一種滲透壓驅(qū)動的膜分離技術(shù)，具有低能耗、低污染等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于海水淡化、水處理、壓力阻尼滲透發(fā)電以及可控藥物釋放等領(lǐng)域。正滲透技術(shù)的核心在于正滲透膜以及汲取液的設(shè)計與合成。理想的正滲透膜應(yīng)該具備高滲透性、高選擇性、高的耐污染能力以及低的結(jié)構(gòu)因子來降低濃差極化能力。

  目前，正滲透膜材料主要有不對稱醋酸纖維素膜和聚酰胺超薄復(fù)合膜（TFC），聚酰胺超薄復(fù)合膜主要由多孔支撐層（如無紡布+聚砜超濾膜）和界面聚合形成的聚酰胺致密層組成。其傳質(zhì)機(jī)理主要有溶解擴(kuò)散、優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流以及氫鍵理論等。為了提高滲透通量和選擇性，前人在界面聚合超薄復(fù)合膜的制備過程中，采用了多種納米材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控，如氧化石墨烯、碳納米管、水通道蛋白、金屬有機(jī)框架材料，但是基于上述傳質(zhì)理論的不對稱致密膜在正滲透過程中，仍然存在濃差極化和膜污染問題，導(dǎo)致其滲透通量和鹽截留率低。因此如何通過新型膜材料的設(shè)計，并提出新的滲透傳質(zhì)機(jī)制，是國際上正滲透領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

  中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉富研究員團(tuán)隊提出了一種不對稱浸潤性Janus微孔膜用于正滲透過程，水通量可達(dá)到274.2Lm^-2h^-1,反向鹽通量為1.65gm^-2h^-1，水通量Jw及水鹽比通量Jw/Js遠(yuǎn)高于目前界面聚合制備的聚酰胺TFC膜。通過在超親水醋酸纖維膜表面利用靜電紡絲構(gòu)筑疏水聚偏氟乙烯納米纖維層，制備的不對稱浸潤性Janus微孔膜（CA/PVDF），在滲透傳質(zhì)過程中表現(xiàn)出二極管流體特性，其聚偏氟乙烯納米纖維疏水側(cè)的空氣層能夠有效抑制汲取液中鹽溶質(zhì)的反向擴(kuò)散，提高選擇性，而其另一側(cè)的醋酸纖維素親水膜可通過導(dǎo)流減少表面流體對超疏水膜的剪切沖擊，起到保護(hù)空氣層的作用，此外還具有抗污染和支撐作用。疏水納米纖維層的厚度（1.7～9.1μm）可通過靜電紡絲的時間來進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。在滲透壓的作用下，原料液側(cè)的水分子的運動為從Janus膜的親水側(cè)到疏水側(cè)的定向運動，而汲取液中的鹽離子被疏水側(cè)的空氣層有效阻隔，Janus膜的朝向相反時，原料液中的水分子的運動受到限制，運動規(guī)律類似于流體二極管。疏水膜的厚度對于滲透通量和反向鹽通量的影響至關(guān)重要，降低厚度，提高汲取液中鹽的濃度，滲透通量和反向鹽通量都相應(yīng)提高。當(dāng)Janus膜的疏水空氣層被浸潤破壞后（如運行2小時），水通量急劇下降，反向鹽通量急劇上升。進(jìn)一步將膜進(jìn)行簡單干燥后，水通量和反向鹽通量完全恢復(fù)，具有多次循環(huán)穩(wěn)定性。前期研究發(fā)現(xiàn)上述傳質(zhì)過程存在蒸發(fā)冷凝以及對流擴(kuò)散。上述工作發(fā)表在Environmental Science & Technology Letters, 2019,6,79-85，并得到澳大利亞麥考瑞大學(xué)Shuaifei Zhao博士（共同通訊作者）和澳大利亞新南威爾士大學(xué)Chuyang Y. Tang教授的合作支持。

圖1 靜電紡絲制備Janus微孔膜（CA/PVDF）及其正滲透過程

圖2 Janus微孔膜（CA/PVDF）正滲透性能: a) 疏水層厚度對水通量影響，b) 疏水層厚度對反向鹽通量影響，c) 水通量Jw及水比鹽通量遠(yuǎn)高于目前TFC膜，d）水通量及反向鹽通量隨運行時間變化規(guī)律，e) Janus微孔膜朝向性能對比，f）Janus微孔膜水通量及反向鹽通量的循環(huán)穩(wěn)定性。

  進(jìn)一步，劉富研究員團(tuán)隊通過相轉(zhuǎn)化法制備了超親水PVDF微孔膜，并利用其微納結(jié)構(gòu)固定負(fù)載超疏水氟化二氧化硅納米粒子，制備了Janus膜(PVDF/F-SiO2)，用于正滲透過程，其不對稱浸潤結(jié)構(gòu)可以有效降低濃差極化，實現(xiàn)水分子的單向傳質(zhì)，以及對鹽離子的反向抑制。不同于上述的蒸發(fā)冷凝機(jī)制，由于納米級親水通道是貫穿于膜中，但由于表面浸潤性差異，具有單向傳遞特性，其滲透系數(shù)可達(dá)到2.2Lm^-2h^-1bar^-1，比鹽通量為0.007gL^-1。上述工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A,2019,7,632-638。

圖3 相轉(zhuǎn)化制備Janus微孔膜（PVDF/F-SiO2）及其正滲透過程

圖4 Janus微孔膜（PVDF/F-SiO2）的單向傳遞性能

  上述工作揭示了Janus微孔膜用于正滲透的新型傳質(zhì)過程及傳質(zhì)機(jī)理，其優(yōu)異的滲透性能表明Janus微孔膜在海水淡化、水處理及壓力阻尼滲透發(fā)電領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

  上述工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目（51673209）、國家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局聯(lián)合項目（5161101025、N_HKU706/16）以及寧波市科技局2014B81004、2017C110034的支持。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.8b00630

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c8ta08541b#!divAbstract