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大连理工大学研发出高渗透通量和高效防污复合膜 有望用于海水淡化

栏目:行业资讯 宣布时间:2020-11-25
高分子科学前沿11月23日讯:高盐水的疏散与净化是解决全球水资源问题、缓解淡水缺少和水污染确当务之急。膜蒸馏(MD)由于其对盐浓度的低敏感性、高能源效率和高设备集成度,已成为一种很有前景的高盐水综合处理技术。

        高分子科学前沿1123日讯:高盐水的疏散与净化是解决全球水资源问题、缓解淡水缺少和水污染确当务之急。膜蒸馏(MD)由于其对盐浓度的低敏感性、高能源效率和高设备集成度,已成为一种很有前景的高盐水综合处理技术。尽管如此,高性能MD却必须在高渗透通量和高效防污之间作一取舍:高渗透通量MD需具有适当的外貌孔隙率和足够的有效蒸发面积,然而,高渗透通量一定导致膜界面严重的浓差极化,爆发过饱和区,加剧界面核化和结垢。

        受荷叶的超疏水性和鱼鳃的不梗塞功效所启发,近日,大连理工大学贺高红教授团队通过对聚丙烯(PP)微孔膜进行化学改性,诱导微/纳米SiO2颗粒在膜界面上有序生长,并对微/纳米梯度结构进行氟硅烷修饰,乐成研发出具有高渗透通量和高效防污性能的MD膜(F-nmSiO2-PP/N)。纳米级SiO 2可以加剧界面的纳米级湍流,避免晶体沉积,其作用类似于鱼鳃,同时纳米级结构使得具有异相成核屏障的膜与均相体系很是相似,从而有效地阻碍诱导成核,其作用类似于荷叶。该项事情以题为“Bioinspired Hybrid Micro/Nanostructure Composited Membrane with Intensified Mass Transfer and Antifouling for High Saline Water Membrane Distillation”宣布在《ACS Nano》上。


图1. F-nmSiO2-PP/N制备和表征。

        如图1所示,与PP和mSiO 2-PP/N相比,F-nmSiO 2-PP/N外貌泛起出微/纳米梯度结构和足够的孔径,疏水性和界面粗糙度显著增加,并且在pH值为6-8的溶液中,F-nmSiO 2-PP/N的zeta电位明显减弱,因此在Cl 和Na +水溶液中,F-nmSiO 2-PP/N可以在高度负的界面与氯基团之间体现出更为强烈的排斥作用。这些特征均有助于提高膜渗透通量和防污性能。


图2. F-nmSiO2-PP/N高膜渗透通量和防污性能作用机制。

        类似于荷叶外貌的突起,F-nmSiO 2-PP/N界面的微/纳米梯度结构泛起出半球状突起,保存了更多的气隙,使得有效蒸发面积和渗透通量大大增加(图2a, b)。借鉴鱼鳃的梳状多层微/纳米结构,F-nmSiO 2-PP/N的微/纳米梯度结构可以通过增强外貌湍流度,包管外貌无结垢晶体,降低外貌成核倾向,同时CFD模拟实验发明,膜外貌所形成的纳米级旋涡可以有效地缩短盐离子与膜外貌相互作用的局部停留时间,减少晶体沉积(图2c, d)。


图3. F-nmSiO2-PP/N高盐水MD测试。


        高盐水MD测试标明F-nmSiO2-PP/N渗透通量高达23.0 kg/(m2·h),PP和F-mSiO2-PP/N外貌保存大宗NaCl结晶,而F-nmSiO 2-PP/N外貌无结晶,验证了F-nmSiO 2-PP/N卓越的防污性能(图3a, b)。研究还发明,F-nmSiO 2-PP/N外貌很是坚韧,能够抵御水的渗透,并且多次循环使用后依然坚持高渗透通量,可以用于恒久间歇高盐水疏散(图3c-e)。


图4. F-nmSiO2-PP/N与古板MD膜性能比照图。

        综上所述,作者突破了高渗透量与防污之间的界限,在PP外貌引入微/纳米梯度结构和超疏水性基团,制备出既能高效渗透又能长效防污的MD膜,这是静电纺丝等古板要领所无法企及的(图4)。所制备的高渗透通量和高效防污复合膜在海水淡化方面具有潜在的应用,并且该项研究结果为高性能膜的设计和研发开辟了新途径。

 


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