水通量和疏水穩(wěn)定性在膜蒸餾應(yīng)用中起著重要作用。與靜電吸附法相比，化學(xué)鍵合形成的表面粗糙度更有利于膜的性能。最近，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王威教授團(tuán)隊和鄭州大學(xué)王宇教授團(tuán)隊報道了一種制備具有優(yōu)異的層次結(jié)構(gòu)的超疏水FAS/PDMS@FeOOH@SPAN納米纖維膜（NFM）的方法，實現(xiàn)在膜蒸餾中高效穩(wěn)定運(yùn)行。方法選擇預(yù)氧化后的靜電紡絲聚丙烯腈（PAN）膜作為基膜，在其上原位合成羥基氧化鐵和進(jìn)行液相硅烷化。實驗測試了FAS/PDMS@FeOOH@SPANNFM各制備階段的性能及其在直接接觸式膜蒸餾（DCMD）中的運(yùn)行效能。羥基氧化鐵與膜之間的化學(xué)鍵連接較強(qiáng)，使膜的粗糙結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定致密。FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM的接觸角為155.4°，對不同污染物均展示出良好的疏水性。此外，在高鹽水的膜蒸餾實驗中，展示出了24.7 m-2 h-1的通量，近100%的截鹽率，和長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。本研究為超疏水表面的制備提供了一種通用、高效的方法，在膜蒸餾高鹽水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

【研究背景】

膜蒸餾（MD）是一種將熱法與膜分離相結(jié)合的新技術(shù)，由疏水膜兩側(cè)的蒸氣壓差驅(qū)動。由于其具有鹽濃度適用范圍廣、利用低品位熱或廢熱、設(shè)備靈活等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸應(yīng)用于高鹽水的處理。通量和疏水穩(wěn)定性一直是MD應(yīng)用的重要影響因素，傳統(tǒng)商用疏水膜在MD中處理成分復(fù)雜的高鹽水通常會面臨通量低且因膜潤濕而失效的問題。因此具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)、抗?jié)櫇裥缘某杷{米纖維膜的研發(fā)和應(yīng)用成為近年來的焦點(diǎn)。

【亮點(diǎn)】

靜電紡絲是在高壓靜電場中制備具有三維通孔結(jié)構(gòu)的納米纖維的一種簡單有效的技術(shù)，由此制備的高孔隙率、低曲折度的電紡纖維更有利于水蒸氣在MD中的傳輸。多種聚合物材料被應(yīng)用于靜電紡絲制備納米纖維膜，其中聚丙烯腈（PAN）是實驗室和工業(yè)生產(chǎn)中常見的高分子聚合物纖維，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性。在制造過程中，預(yù)氧化步驟可以引起PAN纖維的脫氫、環(huán)化和氧化反應(yīng)，使得PAN分子之間相鄰腈基發(fā)生加成反應(yīng)，從而進(jìn)一步將鏈結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫哂懈叻€(wěn)定性的梯形結(jié)構(gòu)。鑒于此，王威教授團(tuán)隊提出了一種簡單可行的方法制備PAN基靜電紡絲納米纖維膜用于MD處理高鹽水。

團(tuán)隊利用靜電紡絲技術(shù)制備具有相互連通的多孔結(jié)構(gòu)的PAN納米纖維膜，然后利用250℃下纖維預(yù)氧化對其搭接處進(jìn)行強(qiáng)化和“焊接”，形成穩(wěn)定的PAN纖維膜（SPANNFM）。之后，通過水熱法將β-FeOOH顆粒原位負(fù)載到纖維上，并通過化學(xué)鍵與纖維牢固連接，以增加膜的粗糙度。最終，用氟硅烷（FAS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等低表面能物質(zhì)實現(xiàn)液相硅烷化構(gòu)筑超疏水表面。制備出的FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM具有高孔隙率和呈放射狀的緊密納米棒粗糙結(jié)構(gòu)，同時具有接觸角高達(dá)155.4°的超疏水性能且能夠在不同污染物上保持良好疏水性（HCl為142.6 °，NaOH為143.4 °，NaCl為150.0 °，HA為145.0 °，SDBS為144.7 °）。

在直接接觸式膜蒸餾（DCMD）實驗中，測試了膜兩側(cè)溫度差、進(jìn)料液濃度和pH值等對FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM在MD運(yùn)行中的影響。結(jié)果顯示該膜可以在溫差為65℃、進(jìn)料液氯化鈉濃度為7 wt%的高鹽水中穩(wěn)定運(yùn)行，通量可達(dá)到24.7 m-2 h-1，鹽截留率高于99.995%出水質(zhì)量較好，且耐酸性更好。在長時間的運(yùn)行實驗中，F(xiàn)AS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM在進(jìn)料液鹽濃度為10 wt%的情況下可以連續(xù)運(yùn)行60小時以上且依舊保持99.99%以上的截留率，具有良好的出水質(zhì)量和鹽分脫除情況，能夠長時間高效運(yùn)行。

【結(jié)論】

本研究提出了一種將靜電紡絲和疏水改性相結(jié)合的方法制備MD超疏水膜。包覆在纖維表面的FeOOH顆粒具有牢固致密的粗糙結(jié)構(gòu)和豐富的羥基，具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，為后續(xù)氟化提供了條件。液相硅烷化成功地降低了膜的表面張力，得到了接觸角為155.4°的超疏水表面，且對不同污染物都展現(xiàn)了良好的疏水性。在高溫和高鹽度條件下，F(xiàn)AS/PDMS@FeOOH@SPANNFM在DCMD中通量可以達(dá)到24.7 m-2 h-1，表現(xiàn)出了長時間運(yùn)行的穩(wěn)定性和優(yōu)越性。本研究一方面為MD超疏水膜處理高鹽水提供了思路，另一方面也可以在更多材料的超疏水改性是進(jìn)行推廣。

【文章詳情】

Superhydrophobized Polyacrylonitrile/Hierarchicall-FeOOH Nanofibrous Membrane for High-salinity Water Treatment in Membrane Distillation
XIANGHuilin, ZHONG Lingling, REN Yongqing, LIU Dongmei, ZHU Zhigao, XU Ying, WANG Yu* and WANG Wei*
Chem. Res. Chinese Universities, 2021, 37(3)
DOI: 10.1007/s40242-021-1039-0

 【通訊作者信息】

王威，男，1983年出生，哈工大環(huán)境學(xué)院教授/博導(dǎo)，教育部青年長江學(xué)者，黑龍江省頭雁團(tuán)隊計劃骨干人才，黑龍江省優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。主要開展水污染控制研究，特別是脫鹽與分離膜的研制及應(yīng)用。目前擔(dān)任中國水處理化學(xué)學(xué)科組常務(wù)理事，國際水協(xié)中國青委會委員，中國海水淡化與水回用分會委員，Processes編委，Chinese Chemical Letter青年編委，多次在IWA，ACS等國內(nèi)國際會議擔(dān)任重要職務(wù)和做特邀報告。目前在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Environ. Sci. Technol., 篇國際頂尖期刊發(fā)表論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項，部分成果實現(xiàn)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用；作為負(fù)責(zé)人主持國家級和省部級科研項目15項；獲得省自然科學(xué)一等獎2項，省技術(shù)發(fā)明二等獎1項。