2020年1月，Engineered Science旗下《Engineered Science》期刊在线发表了德州农工大学 （Texas A&M University）机械工程系李颖教授的最新论文“Superhydrophobic Electrospun PVDF Membranes with Silanization and Fluorosilanization Co-Functionalized CNTs for Improved Direct Contact Membrane Distillation” (文章号：Eng. Sci., 2020, 9, 35-43)，研究详细阐述了硅烷化和氟硅烷化共官能化CNT的超疏水静电纺PVDF膜的制备并应用于直接接触膜蒸馏。(DOI: 10.30919/es8d905)。

  清洁水的短缺是影响全球数百万人的全球性问题之一，并且由于人口增长，工业发展和气候变化，这一问题变得越来越严重。为了解决该问题，已经开发了许多高级技术，例如反渗透（RO）和纳米过滤，但是这些技术仍然耗能且昂贵，阻碍了大规模应用。直接接触式膜蒸馏（DCMD）是一种热驱动技术，利用温度差在热进料侧和冷蒸馏侧之间通过疏水膜产生蒸汽压，因此，水蒸气从热侧通过膜输送并通过在冷侧冷凝，而盐和污染物留在热侧，如图1。由于进料侧的工作温度可能在30oC至90oC的范围内，低于水的沸点，因此该技术可以利用工业废热，太阳能和一些可再生能源来加热进料侧，从而达到节能和经济友好的效果。

图1 DCMD设置的示意图

  直接接触膜蒸馏（DCMD）是一种有前途的水净化方法，制造具有高孔隙率，均匀孔径分布和高表面疏水性的膜对提高该方法的效率至关重要。这项研究将具有两个表面功能化即硅烷化和氟硅烷化的碳纳米管（CNT）与聚偏二氟乙烯（PVDF）混合，以制备用于DCMD的电纺复合纳米纤维膜。

图2 膜的排盐效率

  该文研究了碳纳米管表面功能化对碳纳米管分散性和膜孔径，孔隙率，疏水性和DCMD性能的影响。结果表明，碳纳米管改善了膜的疏水性，碳纳米管的表面功能化进一步改善了这种性能。发现在测试的膜中，具有共官能化CNT的膜达到最高的馏出液通量（?45 Lm^-2 h^-1）和脱盐率（?99.99％），如图2。

图3 水滴在不同膜上的接触角

  该通量分别比具有未官能化的CNT和不具有CNT的膜上的通量高14％和46％。表征表明，优异的性能归因于共官能化改善了CNT的分散性，高孔隙率（?85.5％），较大的平均孔径（?0.89 μm）和膜的表面超疏水性（接触角?153o），如图3 。这项工作表明，CNT的共官能化是在DCMD应用中提高PVDF膜性能的巨大潜力的途径。

图4电纺PVDF膜中功能化CNT改善DCMD性能的可能机理示意图

  图4说明了电纺PVDF膜中功能化CNT改善DCMD性能的可能机理。首先，据报道，CNT具有非常高的快速吸附和解吸能力，提供了水蒸汽扩散途径，从而可以通过膜，从而从中受益。蒸气运输。其次，表面氟硅烷化可以降低碳纳米管之间的表面能和范德华力，这将有助于改善碳纳米管在聚合物基体中的分散性，并充分利用官能化的碳纳米管。第三，氟硅烷化官能化碳纳米管具有很高的疏水性，它们可以通过在纳米纤维表面形成突起来增加纳米纤维的表面粗糙度。第四，通过结合表面硅烷化和氟硅烷化，将具有不同链长的两个表面基团引入CNT表面，如图4所示。这两个不同长度的链进一步增加了CNT和纳米纤维的表面粗糙度以改善疏水性。结果，这些共官能化的CNT改善了膜的疏水性和抗湿性，从而帮助超疏水性孔壁排斥水蒸气分子，从而减轻了孔壁与水蒸气分子之间的摩擦，从而促进了水蒸气的运输。

  德州农工大学机械工程系李颖教授为该论文的通讯作者。Gao Chongjie, Deng Wei为论文共同第一作者。该论文得到德克萨斯州A＆M能源研究所和德克萨斯州农工大学材料表征中心的支持。

  论文链接：http://www.espublisher.com/journals/articledetails/208/