受荷叶和鱼鳃启发，研发出高渗透通量和高效防污复合膜，有望用于海水淡化

来源：高分子科学前沿

高盐水的分离与净化是解决全球水资源问题、缓解淡水短缺和水污染的当务之急。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需具有适当的表面孔隙率和足够的有效蒸发面积，然而，高渗透通量必然导致膜界面严重的浓差极化，产生过饱和区，加剧界面核化和结垢。

受荷叶的超疏水性和鱼鳃的不堵塞功能所启发，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，成功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SiO2可以加剧界面的纳米级湍流，防止晶体沉积，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非常相似，从而有效地阻碍诱导成核，其作用类似于荷叶。该项工作以题为“Bioinspired Hybrid Micro/Nanostructure Composited Membrane with Intensified Mass Transfer and Antifouling for High Saline Water Membrane Distillation”发表在《ACS Nano》上。

图1. F-nmSiO2-PP/N制备和表征。

如图1所示，与PP和mSiO2-PP/N相比，F-nmSiO2-PP/N表面呈现出微/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-nmSiO2-PP/N的zeta电位明显减弱，因此在Cl−和Na+水溶液中，F-nmSiO2-PP/N可以在高度负的界面与氯基团之间表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。

类似于荷叶表面的突起，F-nmSiO2-PP/N界面的微/纳米梯度结构呈现出半球状突起，保留了更多的气隙，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-nmSiO2-PP/N的微/纳米梯度结构可以通过增强表面湍流度，保证表面无结垢晶体，降低表面成核倾向，同时CFD模拟实验发现，膜表面所形成的纳米级旋涡可以有效地缩短盐离子与膜表面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测试表明F-nmSiO2-PP/N渗透通量高达23.0 kg/(m2·h)，PP和F-mSiO2-PP/N表面存在大量NaCl结晶，而F-nmSiO2-PP/N表面无结晶，验证了F-nmSiO2-PP/N卓越的防污性能（图3a, b）。研究还发现，F-nmSiO2-PP/N表面非常坚韧，能够抵御水的渗透，并且多次循环使用后依然保持高渗透通量，可以用于长期间歇高盐水分离（图3c-e）。

图4. F-nmSiO2-PP/N与传统MD膜性能对比图。

综上所述，作者突破了高渗透量与防污之间的界限，在PP表面引入微/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，这是静电纺丝等传统方法所无法企及的（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，而且该项研究成果为高性能膜的设计和研发开辟了新途径。