南京理工大学李健生：具有定制膜孔径和界面的超疏水纳米纤维膜的制备及其在膜蒸馏中的应用

DOI: 10.1016/j.memsci.2022.120751

具有超细纳米纤维、高孔隙率和连通孔隙的静电纺丝纳米纤维膜在高通量膜蒸馏（MD）中受到了广泛关注。然而，纳米纤维膜相对较大的孔径和较低的进液压力（LEP）往往会导致严重的膜结垢和润湿。在这项工作中，通过连续静电纺丝和电喷雾方法成功制备了具有定制膜孔径和界面的超疏水纳米纤维膜。结果表明，减小的膜孔径和增加的界面蒸发面积可以同时缓解膜结垢并提高水通量。此外，使用阻垢剂（例如聚合物聚丙烯酸）处理接近饱和的石膏溶液，可以进一步提高膜的水回收率。优异的浓缩性能归因于阻垢剂与工程表面的协同作用，前者抑制了核的形成，后者降低了膜界面与石膏晶体之间的粘附力。值得注意的是，在超过100h的连续浓缩过程中，所得膜显示出约40L/m2/h的高初始通量和约100%的高脱盐效率。总体而言，本研究为制备新型膜表面以处理高盐废水提供了一种很有前景的方法，可满足最小/零液体电荷目标。

图1.双层+CB NFM的制备示意图，（A）高粘度F-POSS/PVDF-HFP混合溶液的静电纺丝和（B）低粘度F-POSS/PVDF-HFP混合溶液的电喷雾。（C）所得双层+CB NFM的照片和所得双层+CB NFM的横截面图像。（D）单层、（E）双层和（F）双层+CB NFMs的FE-SEM图像。（D-F）中的插图为相关膜的非接触式光学轮廓测量图像。（G）所得双层+CB NFM的横截面图像。（H）基底和双层+CB的整体性能评估。（I）膜孔径分布和（J）相关膜的力学性能。

图2.单层、双层和双层+CB NFMs的润湿性比较。（A）不同性质的液体滴落在不同可湿性膜表面的静态和滑动水接触角以及（B）接触角。（C）单层、双层和双层+CB NFMs的进液压力。（D）示意图展示了膜界面结构对膜进液压力的影响。

图3.单层、双层和双层+CB NFMs在不同压力和温差下运行的（A）流量和（B）通量比较。（C）示意图展示了膜表面粗糙度变化对膜通量的影响。使用C-PVDF膜、单层、双层和双层+CB NFMs进行动态MD石膏结垢实验，（D）其归一化通量和（E）电导率与水回收的函数关系。（含有14mM CaCl2和14mM Na2SO4的1000mL溶液用作进料溶液。在浓缩过程中，进料侧和蒸馏侧的温度分别固定在60和20℃。）

图4.使用双层+CB NFMs进行动态MD石膏结垢实验，在有无PAA阻垢剂以及溶液pH不同的情况下，（A）其归一化通量和（B）电导率与水回收的函数关系。向进料石膏溶液中（C）添加或（D）不添加PAA阻垢剂时，双层+CB NFMs的照片和FE-SEM图像。（E）有无PAA阻垢剂的情况下，双层+CB NFMs的XRD图谱。（含有14mM CaCl2和14mM Na2SO4的1000mL溶液用作进料溶液。在浓缩过程中，进料侧和蒸馏侧的温度分别固定在60和20℃。）

图5.在聚合物阻垢剂的配合下，使用不同可湿性膜表面进行动态MD石膏结垢实验，（A）其水通量和（B）电导率与水回收率的函数关系。（C）在PAA阻垢剂的配合下，评估双层+CB NFM的长期浓缩性能。（D）经100h的浓缩过程后所用膜的照片和FE-SEM（D中的插图为EDS映射图像）。（含有14mM CaCl2和14mM Na2SO4的1000mL溶液用作进料溶液。在浓缩过程中，进料侧和蒸馏侧的温度分别固定在60和20℃。）

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