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山東大學(xué)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?jié)櫇瘛⒖刮廴?
2023-04-13  來源：高分子科技

  膜蒸餾（MD）技術(shù)是一種熱法與膜法相耦合的脫鹽技術(shù)，具有對進料液鹽濃度不敏感、可利用低品位熱源、出水品質(zhì)高、設(shè)備簡單可模塊化等突出優(yōu)勢，在高鹽廢水處理領(lǐng)域頗具潛力。然而，MD技術(shù)的核心疏水微孔膜，面臨膜污染、膜潤濕等挑戰(zhàn)，造成截鹽和通量大幅度下降，限制了MD技術(shù)的實際工程應(yīng)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(zhì)引發(fā)的膜潤濕，以及由油類等有機物引發(fā)的膜污染。目前，如何通過簡單高效的策略，構(gòu)筑兼具高滲透通量、抗污染、抗?jié)櫇窈烷L期穩(wěn)定性的Janus MD膜仍然是挑戰(zhàn)所在。


  近期，山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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?jié)櫇、抗污染。首先，在疏水微孔膜表面采用仿生粘合策略?gòu)筑聚多巴胺/聚乙烯亞胺（PDA/PEI）中間層，以增強后續(xù)親水功能層與疏水支撐層之間的相容性與結(jié)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(gòu)筑了PVA/TA Janus MD膜（圖1）。這一工藝簡單溫和、綠色環(huán)保，有利于放大生產(chǎn)。得益于PVA/TA涂層類似于水凝膠高平衡水含量和低蒸發(fā)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(fù)合后，膜表現(xiàn)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(fù)合膜的抗?jié)櫇裥阅堋４送猓?/span>PVA/TA類水凝膠涂層賦予復(fù)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(zhì)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(xiàn)出了穩(wěn)定的滲透通量和接近100%的截鹽率，能夠穩(wěn)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(jié)構(gòu)、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?jié)櫇、抗污染性?

  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(jié)構(gòu)完整性，以及優(yōu)異的同時抗?jié)櫇瘛⒖刮廴拘阅。?fù)合膜良好的穩(wěn)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(yīng)用。


  該工作以“Janus Membrane with Hydrogel-like Coating for Robust Fouling and Wetting Resistance in Membrane Distillation”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。該論文第一作者是山東大學(xué)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(xué)基金、中國博士后基金、山東省自然科學(xué)基金、山東省博士后創(chuàng)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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