水通量和疏水穩(wěn)定性在膜蒸餾應用中起著重要作用。與靜電吸附法相比，化學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)大學王威教授團隊和鄭州大學王宇教授團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)定運行。方法選擇預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）中的運行效能。羥基氧化鐵與膜之間的化學鍵連接較強，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、設備靈活等優(yōu)點，已逐漸應用于高鹽水的處理。通量和疏水穩(wěn)定性一直是MD應用的重要影響因素，傳統(tǒng)商用疏水膜在MD中處理成分復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)和應用成為近年來的焦點。

【亮點】

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)定性和耐化學性。在制造過程中，預氧化步驟可以引起PAN纖維的脫氫、環(huán)化和氧化反應，使得PAN分子之間相鄰腈基發(fā)生加成反應，從而進一步將鏈結(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℃下纖維預氧化對其搭接處進行強化和“焊接”，形成穩(wěn)定的PAN纖維膜（SPANNFM）。之后，通過水熱法將β-FeOOH顆粒原位負載到纖維上，并通過化學鍵與纖維牢固連接，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、進料液濃度和pH值等對FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM在MD運行中的影響。結(jié)果顯示該膜可以在溫差為65℃、進料液氯化鈉濃度為7 wt%的高鹽水中穩(wěn)定運行，通量可達到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。在長時間的運行實驗中，F(xiàn)AS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM在進料液鹽濃度為10 wt%的情況下可以連續(xù)運行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，具有很強的化學活性，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中通量可以達到24.7 m-2 h-1，表現(xiàn)出了長時間運行的穩(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)境學院教授/博導，教育部青年長江學者，黑龍江省頭雁團隊計劃骨干人才，黑龍江省優(yōu)秀青年科學基金獲得者。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用。目前擔任中國水處理化學學科組常務理事，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)國際會議擔任重要職務和做特邀報告。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)化和應用；作為負責人主持國家級和省部級科研項目15項；獲得省自然科學一等獎2項，省技術(shù)發(fā)明二等獎1項。