CREST | 纳米材料用于超疏水膜蒸馏海水淡化

导读

波兰格但斯克工业大学Emilia Gontarek-Castro团队和墨西哥蒙特雷科技大学Roberto Castro-Muñoz团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“纳米材料用于超疏水膜蒸馏海水淡化新见解（New insights of nanomaterials usage toward superhydrophobic membranes for water desalination via membrane distillation: A review; 2022, 52(12): 2104-2149）”的综述。

膜蒸馏（Membrane distillation, MD）是一种很有前景的海水淡化技术，因为它可以处理高盐度水并且能够由低能或余热驱动。但MD膜的实际应用受限于低气通量和结垢问题。近年来，人们对开发具有增强疏水性的新型MD膜材料以提高脱盐性能的效率越来越感兴趣。有趣的是，纳米材料的添加使MD膜的超疏水性能得到领域内的极大关注（图1）。本文特别关注含有不同纳米材料的聚合物膜，综述了通过嵌入无机纳米材料制备超疏水MD膜的趋势，讨论了无机添加剂对膜污染、稳定性和分离性能的影响，介绍了MD膜的理论原理、超疏水膜表面发展的里程碑以及未来的趋势。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

MD工艺的理论原理

在膜蒸馏过程中，由于进料和渗透物间的蒸气压梯度而发生传质。首先，挥发性物质从本体进料运输到膜表面，随后此类化合物在气相中通过膜孔扩散；最后，气态挥发物从渗透膜表面输送到渗透膜体。MD过程的传质有四种可能的机制：克努森扩散、粘性流动、表面扩散和分子扩散。随质量的增加，传热也随之发生。传热是所有MD配置中的一个重要方面。沿膜孔的导电传热与水蒸气扩散一起发生，引起膜两侧边界层的温度变化。这就导致了进料和渗透出现温度梯度（在本体层和边界层之间），造成对流换热。

膜结垢是指任何物质沉积在膜表面或膜孔内，使膜分离性能发生变化。根据进料本体溶液的化学组成，MD中的结垢能以各种形式产生，包括有机、无机和生物结垢。在MD工艺中，矿物结垢通常被称为无机污垢。生物结垢是由细菌、真菌和藻类的生长引起的，也称为膜表面的生物膜形成。结垢通常会增加传热和传质的阻力，导致膜通量迅速下降和膜润湿。

增强疏水性的不同无机纳米材料

石墨烯是目前探索最深入的添加剂之一。氧化石墨烯可能会降低MD膜的效率，不推荐作为超疏水表面改性的添加剂，而非氧化石墨烯是获得超疏水膜表面较好的材料；气隙MD实验表明，与纯的聚偏氟乙烯纳米纤维膜相比，石墨烯量子点改性膜有更高的水通量和盐截留率。

与传统MD膜相比，基于碳纳米管的MD能提高聚合物基体中水蒸气通量，具有优异的疏水性和孔隙率，但因高成本限制了其广泛的商业应用。从水处理的角度来看，应关注其在出水中所带来的健康风险及在基质中的稳定性。

已经报道的金属氧化物纳米粒子有TiO₂、SiO₂、ZnO等，先用超疏水化方法将纳米粒子涂覆到膜上，然后用低固/液界面能材料进行氟硅化。这种改性不仅形成了分层形貌，而且膜孔径减小，为缓解膜孔润湿问题提供了有效的解决方案。在球状纳米颗粒中，TiO2优势更为明显。

沸石咪唑酯骨架结构材料是新型多孔纳米结构的代表，能够增加膜的孔隙率、疏水性、渗透通量和截留率。比较不受欢迎的是粘土基纳米复合材料。

超疏水膜改善MD性能的研究进展

纳米粒子的加入可使聚合物MD膜具有较好的疏水性，且具有层次化、粗糙的结构，有效表面积大，从而增强膜的抗润湿性能，这样可以防止盐沉淀（图2）。对于共混膜，超疏水无机添加剂可以降低边界层效应，从而加速膜孔内扩散（比如，通过吸附/解吸辅助扩散）。这种现象可能会对膜的性能产生不同的影响，主要体现在效能稳定度、通量强化和渗透质量方面。

图2 超疏水添加剂对MD膜的影响

总结与展望

最新研究表明，制备具有较强疏水性的抗湿膜，可以提高膜长期MD运行时的稳定性，提高水蒸气通量，改善渗透质量。使用特定的填充材料已经在实验室规模获得了有效的脱盐性能。需要指出的是，添加剂的正确选择可能带来多重效益，可能是获得大规模工艺膜的关键。但迄今为止，领域研究重点一直放在实验室规模的实验上。这可能是由于新型纳米填料的成本较高，如：石墨烯和碳纳米管。对于该领域新的研究人员，建议其将研究兴趣集中在对膜具有相同效果的廉价替代材料上。此外，针对MD膜的主要缺点，研究人员应集中精力产出能够满足真正海水淡化要求的膜。带有气囊的分级微纳米表面形态(折返结构)的形成，为实际海水淡化或低表面张力污染物的工业废水回用实施MD提供了可能。除高疏水性和低固/液界面能外，折返结构在膜中创造双疏性能起着重要作用，可对表面张力范围很广的液体实现强排斥。因此，疏水膜似乎具有很好的实际海水淡化功能。

作者简介

第一兼通讯作者简介：

Emilia Gontarek-Castro，波兰格但斯克工业大学化学学院博士研究生，研究兴趣为膜技术开发及在海水淡化中的应用，已发表学术论文十余篇。

通讯作者简介：

Roberto Castro-Muñoz，墨西哥蒙特雷科技大学工程与科学学院研究员，主要研究方向为膜过程及其在环境和食品技术中应用，已发表学术论文90余篇。

|供稿：朱松梅、鞠峰

|编排：曾镜羽

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