海水淡化？我國(guó)學(xué)者研發(fā)新材料進(jìn)行膜蒸餾

2021.9.03

　　在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：21625102、21971017、21922502、21674012）等資助下，北京理工大學(xué)王博、馮霄教授團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王奉超教授團(tuán)隊(duì)合作，在膜蒸餾海水淡化領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究成果以“具有親疏水梯度的共價(jià)有機(jī)框架薄膜膜蒸餾（Hydrophilicity gradient in covalent organic frameworks for membrane distillation）”為題，于2021年7月22日在線發(fā)表于《自然-材料》（Nature Materials）期刊。論文連接：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01052-w。

　　隨著全球人口的快速增長(zhǎng)和工業(yè)的不斷發(fā)展，淡水資源短缺已經(jīng)成為亟待解決的全球性問(wèn)題，海水淡化是解決淡水危機(jī)問(wèn)題的有效途徑。在諸多海水淡化技術(shù)中，膜蒸餾（membranedistillation, 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(guò)熱驅(qū)動(dòng)使得水蒸氣穿過(guò)多孔的疏水膜材料進(jìn)行脫鹽，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(yáng)能、地?zé)崮芊矫婢哂芯薮髢?yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)聚合物疏水MD膜通量低且面臨的膜污染和膜浸潤(rùn)等問(wèn)題，限制了膜蒸餾技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，研究團(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（covalent organic framework, COF）薄膜為基礎(chǔ)，通過(guò)引入競(jìng)爭(zhēng)性可逆共價(jià)鍵合策略，制備了孔道大小和孔內(nèi)親疏水環(huán)境隨深度梯度變化的COF薄膜（見(jiàn)圖1），實(shí)現(xiàn)了高通量膜蒸餾海水淡化。一方面，超薄疏水分離層（傳質(zhì)路徑短）以及垂直貫穿的納米孔道（曲率低），使得水蒸氣的跨膜阻力大幅下降；另一方面，限域納米孔道對(duì)水蒸發(fā)具有增強(qiáng)效應(yīng)。使COF復(fù)合膜在NaCl截留率為99.99%的同時(shí)，通量達(dá)220 L m–2 h–1（3.5 wt.% NaCl溶液為進(jìn)料液，測(cè)試溫度65 oC）。此外，在COF薄膜中構(gòu)建的孔徑以及親疏水梯度賦予膜材料抗污染性能。納米孔內(nèi)靜電排斥作用的增強(qiáng)，延緩孔壁鹽結(jié)晶，降低膜浸潤(rùn)風(fēng)險(xiǎn)，使分離膜具有長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。