中科院城市環境研究所在雙疏膜蒸餾膜研究方面取得進展
膜蒸餾（membrane distillation, MD）是一種基于氣-液平衡原理的熱驅動膜分離技術。在疏水膜兩側，熱側蒸汽透過膜孔在冷側冷凝，而熱側溶液中的溶質被截留（理論截留率為100%）。MD的驅動力為疏水膜兩側由溫差產生的蒸汽壓差；由于蒸汽壓受鹽濃度影響較小，MD可處理高鹽廢水如反滲透（RO）濃水和高鹽工業廢水等。與壓力驅動的膜分離技術如RO相比，MD的操作壓力低、出水水質好；此外，MD的操作溫度較低，可利用低品質熱能如工廠廢熱、地熱和太陽能等為之提供能量而受到廣泛關注。
膜蒸餾膜是MD技術的核心。傳統的疏水膜在長期運行過程中會發生膜浸潤，導致熱測溶質透過膜到達冷側，使出水水質惡化，嚴重阻礙MD技術的應用。此外，含鹽工業廢水通常含有有機污染物，其中不乏加劇膜浸潤的低表面張力物質，如表面活性劑和有機溶劑等，造成MD過程快速失效。因此，開發能有效抵抗低表面張力物質浸潤的膜蒸餾膜具有重要的意義。
圖1：氟化機理示意圖
鑒于此，污染防治材料與技術研究組聯合澳大利亞聯邦科工組織（CSIRO）Manufacturing材料與催化研究組，開發了一種能夠有效抵抗低表面張力物質浸潤的靜電紡納米纖維疏水疏油雙疏膜。利用靜電紡納米纖維膜固有的凹角結構，進一步用氣相沉積法在疏水聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）納米纖維表面進行氟化改性，降低纖維的表面能，成功獲得雙疏特性，其水接觸角和乙醇接觸角分別高達154.1±0.1°和122.6 ±1.7°。該膜的雙疏特性具有優異的穩定性，即使在苛刻條件如超聲、沸水或酸堿處理后，其水接觸角和乙醇接觸角仍可保持不變。XPS和FTIR表征結果表明氟化的可能機制為氟化劑疏水鏈與纖維表面PVDF-HFP的物理相互作用及氟化劑親水基之間的水解縮聚作用（圖1）。此外，該雙疏膜在動態膜蒸餾過程處理含高濃度表面活性劑鹽水時表現出優異的脫鹽性能，長時間運行過程中產水的電導率始終低于3 μs cm-1（圖2），脫鹽率大于99.99%。該研究為高效雙疏膜的制備提供了一種有效的策略，有望推進MD技術在含鹽工業廢水處理方面的應用。
圖2：膜蒸餾處理含表面活性劑鹽水測試：A疏水膜；B雙疏膜
研究成果以Omniphobic surface modification of electrospun nanofiber membrane via vapor deposition for enhanced anti-wetting property in membrane distillation為題發表在Journal of Membrane Science上，城市環境研究所的吳小瓊博士為第一作者，鄭煜銘研究員和CSIRO的Zongli Xie研究員為共同通訊作者。該研究得到了CSIRO Manufacturing、國家自然科學基金(51978639)以及國學留學基金委(No. 201804910664)的資助。
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