华中科技大学周军教授团队《Adv. Mater.》：电荷梯度水凝胶膜实现高盐废水脱盐的直接零液体排放
零液体排放（ZLD）可以最大限度地提高水的回收率，并且避免废水外排对生态环境的污染风险，是一种近乎理想的废水管理策略。废水中通常包含广谱的有机污染物和高浓度的无机盐，因此需要经过一系列复杂的预处理和脱盐过程才能实现零液体排放，但这种非直接的零液体排放系统成本和能耗巨大。膜蒸馏（MD）技术能够处理反渗透技术无法处理的超高盐度废水，而且可以回收利用工业废热，有望实现低成本的直接零液体排放。传统的膜蒸馏技术采用疏水多孔膜将热盐水与冷淡水分离。然而，疏水多孔膜存在很高的膜润湿风险，有机物污染与无机盐结垢都会降低疏水膜的疏水性，从而引起热盐水与冷淡水跨膜混合，使得系统丧失脱盐能力。虽然通过界面工程可以提高疏水膜对某一类污染物的抗污性，但是开发具有广谱抗污性的膜是膜蒸馏领域的一个巨大挑战。
针对膜污染的问题，华中科技大学武汉光电国家研究中心周军教授团队提出了一种新范式膜蒸馏策略，即采用亲水无孔的电荷梯度水凝胶(CGH)膜替代传统的疏水多孔膜。这种电荷梯度水凝胶膜具有准固态结构，可以把液体盐水与有机污染物约束在聚合物网络中，因此具有抵抗有机污染的特性。同时，聚合物网络上的电荷梯度提供了巨大的渗透压泵效应，使得膜在快速输运水分的同时，将部分无机盐阻挡在外，因此具有防止盐垢污染的特性。此外，由于蒸发发生在渗透侧，蒸汽的传质阻力大大减小，电荷梯度水凝胶膜的水通量相比商业的聚四氟乙烯（PTFE）膜可提高60%-110%。基于以上优势，该电荷梯度水凝胶膜能够对含有广谱污染物（500 mg L-1）的高盐废水（130 g L-1）进行长达200 h的长时间稳定脱盐处理。该技术为高盐废水脱盐的直接零液体排放开辟了一条有崭新的道路。
图1. 传统膜蒸馏与基于CGH的膜蒸馏的对比。具有疏水性多孔膜的传统膜蒸馏具有高的蒸汽传质阻力，而且容易被有机污染物和无机盐结晶污染；基于CGH的膜蒸馏的蒸汽传质阻力低，并且可防止有机污染与无机盐结垢。
图2. CGH膜的电荷梯度结构和输水性能。a）CGH膜的截面结构示意图；b）一卷CGH膜的照片（500厘米乘15厘米）；c）干燥的CGH的横截面SEM图像和 d，e）钠元素（d）和硫元素（e）对应的EDS图谱；f）具有不同带电单体比例的电荷均质水凝胶（CHH）的水结构和输水速率；g）在带有相同电荷单体比的CHH（左）和CGH（右）膜中模拟水的传输速度。
图3. CGH的长时间稳定性和脱盐性能。a）在由各种无机盐和有机污垢组成的高盐度废水连续脱盐过程中，基于CGH的膜蒸馏的水通量和渗透离子传导率；b）脱盐前后的照片和相应的离子电导率；c）脱盐前后所测废水中四种主要阳离子的浓度；d）脱盐前后废水的拉曼光谱。
相关论文以题为Charge‐Gradient Hydrogels Enable Direct Zero Liquid Discharge for Hypersaline Wastewater Management发表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2021, 2100141)上。论文的第一作者为华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生谢文科，通讯作者为周军教授和段将将副教授。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100141?af=R
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