北理工在超高通量膜蒸餾海水淡化膜方面取得研究成果
發(fā)布日期：2021-07-22 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 馮霄 攝影：馮霄
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北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王博教授和馮霄教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出新型晶態(tài)納米孔薄膜,，對(duì)65 oC鹽水或濃污水（該溫度可以通過廢熱或太陽熱能等無額外能耗方式簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)）進(jìn)行高效膜蒸餾過程,，每平方米薄膜每小時(shí)蒸餾水（99.99%NaCl截留率）產(chǎn)量可達(dá)到220升，該通量是目前商業(yè)MD膜通量的3倍,，單純COF分離層理論純水通量更是高達(dá)1800升每平方米每小時(shí),。該分離膜還展現(xiàn)出優(yōu)異的抗污染和抗浸潤(rùn)能力，在超過100小時(shí)連續(xù)工作過程中性能無衰減,。
據(jù)統(tǒng)計(jì)全球有超過20億人無法獲得潔凈安全的飲用水,，因此淡水資源短缺問題是21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，海水淡化是解決這一危機(jī)的有效途徑,。目前,，海水淡化技術(shù)主要包括：反滲透技術(shù)（RO）、正滲透（FO）,、多效蒸餾（MED）,、多級(jí)閃蒸（MSF）,、以及膜蒸餾（MD）等。在過去幾十年中,，全球海水淡化廠的數(shù)量迅猛增長(zhǎng),，海水淡化產(chǎn)量每年可達(dá)到約380億立方米，且50%以上的海水淡化廠使用的是反滲透技術(shù),。然而,，RO是能源密集型技術(shù)，考慮到能源與水產(chǎn)出之間的相互依賴性,，最大限度地降低海水淡化過程中的能耗尤為重要。此外,，由于欠發(fā)達(dá)地區(qū)能源基礎(chǔ)設(shè)施較差,，因此利用可再生能源進(jìn)行水處理的能力是不可或缺。
膜蒸餾（MD）技術(shù)利用膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力并通過熱驅(qū)動(dòng)使得水蒸氣穿過多孔的疏水膜材料進(jìn)行脫鹽,。膜蒸餾是膜技術(shù)與低溫?fù)]發(fā)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,，綜合了反滲透和蒸餾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中鹽離子接近100%的去除,，在處理高濃度,、高污染鹽水和利用工業(yè)廢熱等低品位熱以及太陽能、地?zé)崮芊矫婢哂芯薮髢?yōu)勢(shì),。此外,，MD脫鹽系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)熱脫鹽工藝（MED和MSF）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便,，具有構(gòu)成大規(guī)模生產(chǎn)體系的靈活性,。因此，MD作為一種可持續(xù)的,、低能耗的海水淡化技術(shù)在諸多海水淡化工程中具有一定競(jìng)爭(zhēng)力與應(yīng)用前景,。然而，傳統(tǒng)聚合物疏水MD膜通量低且面臨嚴(yán)重的膜污染和膜浸潤(rùn)等問題,，嚴(yán)重限制了膜蒸餾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,。
膜蒸餾過程的核心是多孔疏水膜，理想的膜蒸餾用膜應(yīng)同時(shí)兼顧高疏水性,、高孔隙率,、窄孔徑分布和較小的彎曲因子，并且傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式認(rèn)為大孔疏水膜更有利于增大通量,。然而,，傳統(tǒng)的聚合物材料以及膜制備方法很難同時(shí)滿足這些條件，并且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)膜孔道結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控,。因此,，開發(fā)新型膜材料以及分離膜制備方法對(duì)推動(dòng)膜蒸餾技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
北京理工大學(xué)的王博教授和馮霄教授團(tuán)隊(duì)以具有規(guī)整貫穿納米孔道的二維共價(jià)有機(jī)框架（COF）薄膜為基礎(chǔ)，通過引入競(jìng)爭(zhēng)性可逆共價(jià)鍵合策略,，實(shí)現(xiàn)了孔道大小和孔內(nèi)親疏水環(huán)境隨深度梯度變化的COFs薄膜的制備,。利用COF薄膜限域納米孔道中水蒸發(fā)的增強(qiáng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了超高通量膜蒸餾海水淡化,，顛覆了對(duì)MD膜材料需要大孔徑孔道的傳統(tǒng)認(rèn)知,，為開發(fā)下一代高性能MD分離膜提供了理論支持。相關(guān)成果以“Hydrophilicity gradient in covalent organic frameworks for membrane distillation”為題,，發(fā)表在《Nature Materials》上,，該文通訊作者是馮霄、王奉超,、王博,；第一作者是趙爽、蔣成浩,、范競(jìng)存,；本文實(shí)驗(yàn)部分由北理工完成，中科大王奉超團(tuán)隊(duì)利用分子動(dòng)力學(xué)模擬為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了強(qiáng)有力的理論支撐,。
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