電紡納米纖維聚苯醚膜用于直接接觸膜蒸餾的高鹽度水淡化

DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b05805

膜蒸餾脫鹽（MD）工藝被認為能顯著提高水的回收率，特別是處理高鹽水，如海水和頁巖氣廢水。然而，現有技術的膜存在嚴重的潤濕現象，這通常導致性能下降，從而導致所產生的清潔水的質量較差。在本文中，我們第一次報道了一種基于靜電紡絲法制備的非氟化聚（2,6-二甲基-1,4-苯撐氧）（PPO）的納米纖維薄膜用于膜蒸餾。聚苯醚固有的低熱導率可以很好地保持膜的驅動力，而具有相當光滑表面的相應納米纖維可以防止無機鹽的粘附，從而大大提高了防垢性能。簡而言之，PPO膜可分別為海水和頁巖氣廢水脫鹽提供80％和60％的高水回收率，而水流量分別僅下降12.5％和33％，而商用聚偏二氟乙烯膜的水通量分別下降了20.8和88.8％。總體而言，我們開發了一種理想的聚合物候選材料，可用于制造膜蒸餾的新型膜材料，并突出了其在處理高鹽水樣品方面的巨大潛力。

圖1.（A）靜電紡絲工藝流程示意圖。溫度和濕度分別保持在25±0.5℃和35％。（B）PPO-11溶液作為溶劑混合物組成函數的圖像（不同比率下的DMF/CHCl₃：

1：11、1：10、1：9、1：8、1：7和1：5）。（C）聚合物溶液的表面張力、電導率和粘度與聚合物濃度的關系。DMF與CHCl₃的質量比保持為1：9。所有測量均在25.0±0.5℃下進行。（D）PPO纖維靜電紡絲實驗條件的映射。紅色粗體區域表示可導致多孔無珠PPO纖維的三元混合物成分。

圖2.商用PVDF（A）和電紡PPO膜的表面FESEM圖像以及聚合物濃度與PPO膜的關系[B：8％（PPO-8）；C：9％（PPO-9）；D：10％（PPO-10）；E：11％（PPO-11）；F：12％（PPO-12）]。（G）孔徑大小及分布是通過計算機軟件與電紡膜(PPO-9、 PPO-10和 PPO-11)多孔性材料分析儀(Porolux 1000, IB-FT GmbH德國柏林)系統耦合計算得出的。

圖3.商用PVDF和電紡PPO膜的水接觸角。（A）所有膜的水接觸角比較。實驗在25℃的環境條件下進行。每個樣本至少進行了三次平行測試，給出了帶有誤差條的平均值。（B）分別在0、30和60秒時拍攝膜上水滴的照片。

圖4.商業PVDF（A）和電紡PPO膜（B）的水蒸氣流量隨時間變化。這里以PPO-11為代表進行了研究。使用去離子水作為進料和滲透蒸汽進行DCMD實驗。在整個實驗期間，進料側的溫度設置為60、50和40℃，而滲透液側的溫度設置為20℃，從而導致三個不同的跨膜溫度差異（20、30、和40℃）。（C）PPO-11膜隨時間的長期耐久性測試。定期從滲透液側重新填充進料容器，以保持進料濃度恒定為10 g L^-1。

圖5.（A）商用PVDF和（B）PPO-11膜截面溫度場分布的模擬。為了更直觀地觀察溫度梯度，采用虛擬膜線作為基線（深度為零），將流道的橫截面放大10倍。分別在60℃和20℃下用純水模擬進料和滲透。各側的流體均以逆流方式運行，即進料從左至右進入膜區，而滲透循環則相反（從右至左）。

圖6.商用PVDF（A，C）和電紡PPO-11膜（B，D）模擬處理海水和頁巖氣廢水的短期脫鹽性能。對于海水淡化測試，分別采用60℃的初始NaCl溶液（43.75 g L-1）和20℃的去離子水作為進料流和滲透流。DCMD實驗一直進行到滲透體積達到400毫升（初始進料體積=500毫升），表明水回收率為80％。對于模擬頁巖氣廢水試驗，分別采用60℃下的初始進料和20℃下的去離子水作為進料和滲透流。DCMD實驗一直進行到滲透體積達到300毫升（初始進料體積=500毫升），對應于60％的水回收率。進料成分詳情見表S1。所有實驗至少重復三次，給出了帶有誤差條的平均值。

圖7.模擬海水DCMD實驗后商用PVDF（A）和PPO-11（B）膜的表面FESEM圖像和能譜圖。模擬頁巖氣廢水DCMD實驗后PVDF（C）和PPO-11（D）膜的表面FESEM圖像和EDX圖譜。黃線是膜表面結垢晶體的剖面圖。