静电纺丝—超疏水聚丙烯腈/FeOOH纳米纤维膜在膜蒸馏高盐水处理中的应用

 水通量和疏水稳定性在膜蒸馏应用中起着重要作用。与静电吸附法相比，化学键合形成的表面粗糙度更有利于膜的性能。最近，哈尔滨工业大学王威教授团队和郑州大学王宇教授团队报道了一种制备具有优异的层次结构的超疏水FAS/PDMS@FeOOH@SPAN纳米纤维膜（NFM）的方法，实现在膜蒸馏中高效稳定运行。方法选择预氧化后的静电纺丝聚丙烯腈（PAN）膜作为基膜，在其上原位合成羟基氧化铁和进行液相硅烷化。实验测试了FAS/PDMS@FeOOH@SPANNFM各制备阶段的性能及其在直接接触式膜蒸馏（DCMD）中的运行效能。羟基氧化铁与膜之间的化学键连接较强，使膜的粗糙结构更加稳定致密。FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM的接触角为155.4°，对不同污染物均展示出良好的疏水性。此外，在高盐水的膜蒸馏实验中，展示出了24.7 m-2 h-1的通量，近100%的截盐率，和长期运行的稳定性。本研究为超疏水表面的制备提供了一种通用、高效的方法，在膜蒸馏高盐水处理中具有广阔的应用前景。

【研究背景】

膜蒸馏（MD）是一种将热法与膜分离相结合的新技术，由疏水膜两侧的蒸气压差驱动。由于其具有盐浓度适用范围广、利用低品位热或废热、设备灵活等优点，已逐渐应用于高盐水的处理。通量和疏水稳定性一直是MD应用的重要影响因素，传统商用疏水膜在MD中处理成分复杂的高盐水通常会面临通量低且因膜润湿而失效的问题。因此具有良好的孔隙结构、抗润湿性的超疏水纳米纤维膜的研发和应用成为近年来的焦点。

【亮点】

静电纺丝是在高压静电场中制备具有三维通孔结构的纳米纤维的一种简单有效的技术，由此制备的高孔隙率、低曲折度的电纺纤维更有利于水蒸气在MD中的传输。多种聚合物材料被应用于静电纺丝制备纳米纤维膜，其中聚丙烯腈（PAN）是实验室和工业生产中常见的高分子聚合物纤维，具有优异的热稳定性和耐化学性。在制造过程中，预氧化步骤可以引起PAN纤维的脱氢、环化和氧化反应，使得PAN分子之间相邻腈基发生加成反应，从而进一步将链结构改变为具有更高稳定性的梯形结构。鉴于此，王威教授团队提出了一种简单可行的方法制备PAN基静电纺丝纳米纤维膜用于MD处理高盐水。

团队利用静电纺丝技术制备具有相互连通的多孔结构的PAN纳米纤维膜，然后利用250℃下纤维预氧化对其搭接处进行强化和“焊接”，形成稳定的PAN纤维膜（SPANNFM）。之后，通过水热法将β-FeOOH颗粒原位负载到纤维上，并通过化学键与纤维牢固连接，以增加膜的粗糙度。最终，用氟硅烷（FAS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等低表面能物质实现液相硅烷化构筑超疏水表面。制备出的FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM具有高孔隙率和呈放射状的紧密纳米棒粗糙结构，同时具有接触角高达155.4°的超疏水性能且能够在不同污染物上保持良好疏水性（HCl为142.6 °，NaOH为143.4 °，NaCl为150.0 °，HA为145.0 °，SDBS为144.7 °）。

在直接接触式膜蒸馏（DCMD）实验中，测试了膜两侧温度差、进料液浓度和pH值等对FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM在MD运行中的影响。结果显示该膜可以在温差为65℃、进料液氯化钠浓度为7 wt%的高盐水中稳定运行，通量可达到24.7 m-2 h-1，盐截留率高于99.995%出水质量较好，且耐酸性更好。在长时间的运行实验中，FAS/PDMS@FeOOH@SPAN NFM在进料液盐浓度为10 wt%的情况下可以连续运行60小时以上且依旧保持99.99%以上的截留率，具有良好的出水质量和盐分脱除情况，能够长时间高效运行。

【结论】

本研究提出了一种将静电纺丝和疏水改性相结合的方法制备MD超疏水膜。包覆在纤维表面的FeOOH颗粒具有牢固致密的粗糙结构和丰富的羟基，具有很强的化学活性，为后续氟化提供了条件。液相硅烷化成功地降低了膜的表面张力，得到了接触角为155.4°的超疏水表面，且对不同污染物都展现了良好的疏水性。在高温和高盐度条件下，FAS/PDMS@FeOOH@SPANNFM在DCMD中通量可以达到24.7 m-2 h-1，表现出了长时间运行的稳定性和优越性。本研究一方面为MD超疏水膜处理高盐水提供了思路，另一方面也可以在更多材料的超疏水改性是进行推广。

【文章详情】

Superhydrophobized Polyacrylonitrile/Hierarchicall-FeOOH Nanofibrous Membrane for High-salinity Water Treatment in Membrane Distillation
XIANGHuilin, ZHONG Lingling, REN Yongqing, LIU Dongmei, ZHU Zhigao, XU Ying, WANG Yu* and WANG Wei*
Chem. Res. Chinese Universities, 2021, 37(3)
DOI: 10.1007/s40242-021-1039-0

 【通讯作者信息】

王威，男，1983年出生，哈工大环境学院教授/博导，教育部青年长江学者，黑龙江省头雁团队计划骨干人才，黑龙江省优秀青年科学基金获得者。主要开展水污染控制研究，特别是脱盐与分离膜的研制及应用。目前担任中国水处理化学学科组常务理事，国际水协中国青委会委员，中国海水淡化与水回用分会委员，Processes编委，Chinese Chemical Letter青年编委，多次在IWA，ACS等国内国际会议担任重要职务和做特邀报告。目前在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Environ. Sci. Technol., 篇国际顶尖期刊发表论文100余篇，授权发明专利10余项，部分成果实现转化和应用；作为负责人主持国家级和省部级科研项目15项；获得省自然科学一等奖2项，省技术发明二等奖1项。