山东大学王志宁教授团队《ACS AMI》：类水凝胶Janus膜用于膜蒸馏过程高效抗润湿、抗污染

2023-04-13 来源：高分子科技

膜蒸馏（MD）技术是一种热法与膜法相耦合的脱盐技术，具有对进料液盐浓度不敏感、可利用低品位热源、出水品质高、设备简单可模块化等突出优势，在高盐废水处理领域颇具潜力。然而，MD技术的核心疏水微孔膜，面临膜污染、膜润湿等挑战，造成截盐和通量大幅度下降，限制了MD技术的实际工程应用。Janus MD膜被证明能够同时克服由两亲性表面活性剂类物质引发的膜润湿，以及由油类等有机物引发的膜污染。目前，如何通过简单高效的策略，构筑兼具高渗透通量、抗污染、抗润湿和长期稳定性的Janus MD膜仍然是挑战所在。

近期，山东大学环境科学与工程学院王志宁教授团队制备了聚乙烯醇/单宁酸（PVA/TA）类水凝胶Janus MD膜，用于膜蒸馏过程的高效抗润湿、抗污染。首先，在疏水微孔膜表面采用仿生粘合策略构筑聚多巴胺/聚乙烯亚胺（PDA/PEI）中间层，以增强后续亲水功能层与疏水支撑层之间的相容性与结合力。然后，采用“刮涂-干燥收缩-再水合”工艺，并引入TA作为氢键增强剂，构筑了PVA/TA Janus MD膜（图1）。这一工艺简单温和、绿色环保，有利于放大生产。得益于PVA/TA涂层类似于水凝胶高平衡水含量和低蒸发焓的特性，微米级厚度涂层的引入，依然保障了膜蒸馏过程的高渗透通量（图2）。

图1 PVA/TA类水凝胶Janus MD膜的制备示意图

图2类水凝胶功能层表征与膜脱盐性能评价

如图3所示，PVA/TA涂层复合后，膜表现出致密的表面形貌、增大的液体进入压力（LEP，1.01 ± 0.02 MPa）和抑制的表面活性剂（SDS）扩散，这将有利于复合膜的抗润湿性能。此外，PVA/TA类水凝胶涂层赋予复合膜与原膜相反的润湿特性，在空气中高亲水、在水下超疏油，能够抵抗油类物质的污染。因此，当处理含3.5 wt% NaCl、1000 ppm矿物油和0.1 mM SDS的溶液时，类水凝胶Janus MD膜展现出了稳定的渗透通量和接近100%的截盐率，能够稳定运行90 h，大大增强了MD膜的服役性能（图4）。

图3膜的形貌结构、液体进入压力、表面活性剂扩散和润湿特性

图4 类水凝胶Janus MD膜同时抗润湿、抗污染性能

此外，当在去离子水中长期储存21天后，类水凝胶Janus膜依然维持了良好的结构完整性，以及优异的同时抗润湿、抗污染性能。复合膜良好的稳定性主要得益于制膜过程中聚合物涂层的致密化过程，以及PVA/TA类水凝胶层与PDA/PEI改性基膜之间的多重界面氢键相互作用，这将有利于膜在实际场景中的应用。

该工作以“Janus Membrane with Hydrogel-like Coating for Robust Fouling and Wetting Resistance in Membrane Distillation”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。该论文第一作者是山东大学张娜博士后，通讯作者为王志宁教授。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后基金、山东省自然科学基金、山东省博士后创新项目的资助和支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c02781

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（责任编辑：xu）

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