具有互鎖結構的耐用超疏水雙層復合膜的工程構造及其在膜蒸餾中的應用

DOI：10.1016/j.memsci.2020.117813

用于海水淡化和/或廢水凈化的膜蒸餾的主要挑戰是開發高孔隙率、疏水性和足夠的機械強度以進行長期運行的高效膜蒸餾（MD）膜。在此，構建了一種基于分級結構的等規聚丙烯(iPP)涂層和靜電紡絲聚偏氟乙烯(PVDF)納米纖維支撐的超疏水雙層互鎖復合膜。所得的涂層具有變形的微/納米結構微球表面，該表面具有較強的超疏水性和優異的防污性能，這是低表面自由能材料與分層粗糙度協同作用的結果。特別是，結晶iPP微球涂層和PVDF納米纖維之間的中間過渡互鎖帶賦予所得復合膜以優異的結構完整性，包括與PVDF平板或納米纖維膜相比，機械性能顯著提高，并且還形成了iPP/PVDF復合物膜，其在異丙醇和強酸/強堿的作用下，具有良好的耐久性。此外，對于模擬的高鹽度日落黃（SY）廢水，優化后的超疏水復合膜表現出53.9 kg/（m2?h）的競爭性滲透通量，并且在50 h的運行中（ΔT=40℃）完全截留，這是由于其高度多孔的納米纖維支撐和持久的拒液性。

圖1.（A-B）熱壓PVDF、（C-D）iPP/PVDF-68、（E-F）iPP/PVDF-58和（G-H）iPP/PVDF-48膜的FE-SEM圖像。

圖2. iPP/PVDF復合膜（A和D）iPP/PVDF-68、（B和E）iPP/PVDF-58和（C和F）iPP/PVDF-48的典型橫截面SEM圖像。

圖3.具有互鎖結構的兩層復合膜的形成過程示意圖。

圖4.（A）（a）iPP、（b）iPP/PVDF-48、（c）iPP/PVDF-58、（d）iPP/PVDF-68和（e）PVDF膜的FT-IR光譜。（B）（a）iPP/PVDF-48、（b）iPP/PVDF-58、（c）iPP/PVDF-68和（d）PVDF膜的XRD圖譜。

圖5.iPP/PVDF-58-16（A，B，C）、iPP/PVDF-58-32（D，E，F）和iPP/PVDF-58-64（G，H，I）復合膜的膜表面和橫截面形態。

圖6.原始PVDF 靜電紡絲納米纖維膜、iPP/PVDF-58-16、iPP/PVDF-58-32和iPP/PVDF-58-64膜的水接觸角。

圖7.（A）超疏水改性前后，自清潔能力對膜表面的影響，（B）相應的自清潔性能示意圖，以及（C）附著在iPP/PVDF-58-32膜上的各種液滴的攝影圖像。

圖8.（A）PVDF、（B）iPP/PVDF-58-16、（C）iPP/PVDF-58-32和（D）iPP/PVDF-58-64膜的孔徑分布。

圖9. C-PVDF、PVDF靜電紡絲納米纖維膜和iPP/PVDF-58-32膜的拉伸應力-應變曲線。

圖10.（A）使用100 ppm MB水溶液在60℃下作為進料流，使用去離子水在20℃下作為滲透流（進料側和滲透側的流速=0.6 L/min），在DCMD中測量50 h以上的C-PVD、PVDF靜電紡絲納米纖維膜和iPP/PVDF-58-y膜的水通量和截留率。（B）使用（b）C-PVDF、（c）PVDF靜電紡絲納米纖維膜、（d）iPP/PVDF-58-16、（e）iPP/PVDF-58-32和（f）iPP/PVDF-58-64膜進行MD試驗后收集的（a）100 ppm MB水溶液和蒸餾物的照片。

圖11.使用100 ppm SY水溶液在60℃下作為進料流，使用去離子水在20℃下作為滲透流（進料側和滲透側的流速=0.6 L/min），在DCMD中測量50 h以上的PVDF靜電紡絲納米纖維膜、iPP/PVDF-58-y和C-PVDF膜的水通量和截留率。（B）使用（b）C-PVDF、（c）PVDF靜電紡絲納米纖維膜、（d）iPP/PVDF-58-16、（e）iPP/PVDF-58-32和（f）iPP/PVDF-58-64膜進行MD試驗后收集的（a）100 ppm SY水溶液和蒸餾物的照片。

圖12.（A）C-PVDF、（B）PVDF靜電紡絲納米纖維膜和（C）iPP/PVDF-58-32復合膜的連續DCMD測試。（D）C-PVDF、PVDF靜電紡絲納米纖維膜和iPP/PVDF-58-32膜的染料截留和結垢因子（FF）（進料為20 g/L NaCl和100 ppm SY水溶液；?T=40℃；進料側和滲透側的流速=0.6 L/min）。

圖13.（A）DCMD測試之前的原始C-PVDF膜和（B）DCMD測試之后的（B）C-PVDF、（C）PVDF靜電紡絲納米纖維膜和（D）iPP/PVDF-58-32膜的SEM圖像。面板A、B、C和D中的插圖為水接觸角。