熱驅(qū)動膜脫鹽技術(shù)因其在高鹽廢水處理中的潛力而受到廣泛關(guān)注。然而，在保持較高的水通量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)揮發(fā)物的高截留率仍然是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在此，提出了一種熱滲透蒸發(fā)（TOE）系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用分子插層調(diào)節(jié)氧化石墨烯（GO）作為熱滲透選擇性滲透層，定位在疏水聚偏氟乙烯纖維膜上作為熱蒸發(fā)層。通過同時(shí)限制小分子以擴(kuò)大層間間距并在GO層間引入聚合物以形成致密網(wǎng)絡(luò)，小心地構(gòu)建GO膜的建筑層間納米通道，所得產(chǎn)物對NaCl的截留率為100%，對揮發(fā)性苯胺的截留率為97.41%，在40℃溫差下的透水率為63.80 L m
–2 h
–1，優(yōu)于先前報(bào)道的GO基膜。模擬和計(jì)算結(jié)果表明，GO中間層之間的聚合物網(wǎng)絡(luò)有利于非揮發(fā)性離子和揮發(fā)性分子的高效分離，而通道的擴(kuò)大降低了蒸汽擴(kuò)散阻力。本研究為先進(jìn)膜的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的見解，并為復(fù)雜高鹽廢水處理TOE系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展提供了啟示。
圖1（A）具有多層GO納米片膜的TOE系統(tǒng)的示意圖，該多層GO納米片膜位于疏水性PVDF纖維膜上用于脫鹽，以及（B）由多層納米片膜中的相鄰納米片在干燥和潮濕狀態(tài)下形成的納米通道。（C） GO理論層間距對膜通量和揮發(fā)分截留率影響的示意圖和（D）解決這一矛盾的潛在概念和策略。（E） GO膜的層間納米通道之間設(shè)計(jì)屏障的示意圖，以增強(qiáng)揮發(fā)性篩分，并提出可能的揮發(fā)性篩分機(jī)理。
圖2. （A） 合成工藝示意圖，通過8-AA和PAA的聯(lián)合使用，創(chuàng)建具有定制建筑夾層的高滲透GO膜。（B） FE-SEM圖像顯示了相關(guān)GO膜的表面和橫截面圖，相應(yīng)的TEM圖像包含在插圖中。（C） 圖示位于GO納米片層之間的8-AA和PAA分子的排列。（D） S/P-GO膜片段的HRTEM圖像和元素圖譜。
圖3. （A） 不同GO膜的XRD圖譜和（B）HRTEM圖像。（C） 密度泛函理論計(jì)算結(jié)果和（D）有機(jī)摻雜對GO膜層間距的IRI分析。（E） PAA鏈構(gòu)象變化對分子直徑的影響。（F） 分別在20℃和60℃下浸入水中后膜的2D通道尺寸的變化。（G） 不同GO膜的XPS C 1s光譜。（H） 涉及PAA、8-AA和GO抗膨性能的交聯(lián)過程示意圖。
圖4. （A） N
2滲透性，（B）液體入口壓力和（C）各種GO膜的WCA。（D） 用于評估不同GO膜脫鹽性能的DCMD設(shè)置示意圖。（E） 比較膜蒸汽通量、苯胺和離子截留效率。（F） 相關(guān)膜的標(biāo)準(zhǔn)化蒸汽通量隨時(shí)間變化。（G） FE-SEM圖像描述了脫鹽12 h后膜的形態(tài)。（H） 不同濃度NaCl溶液的水回收率。（I） 代表力–使用前后S/P-GO膜的延伸曲線。（J） S/P-GO膜在脫鹽過程中篩選其他具有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的揮發(fā)性化合物的性能評估。（K） S/P-GO膜的脫鹽性能與文獻(xiàn)報(bào)道值的比較。
圖5. （A） S/P-GO膜抽真空到疏水和親水PVDF纖維膜上的照片。（B） 示意圖演示了TOE和膜脫鹽過程。（C） 揮發(fā)性篩分機(jī)理和水通過GO和S/P-GO膜傳輸?shù)氖疽鈭D。（D） 不同GO膜的孔徑分布和平均孔徑。（E） GO基膜最終狀態(tài)下的滲透模型。（F） 通過GO基膜的苯胺和水分子的數(shù)量。（G） 快照描述了水通過S/P-GO膜的擴(kuò)散，以及在大約0–12 ns的時(shí)間范圍內(nèi)觀察到的該膜對苯胺和鹽的截留，快照顯示了潛在的雙重篩分機(jī)制。（H） 水-S/P-GO和苯胺-S/P-GO膜的相互作用能。
相關(guān)研究成果由哈爾濱工業(yè)大學(xué)
Wei Wang、南京理工大學(xué)Jiansheng Li課題組2025年發(fā)表在
ACS Nano (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15010)上。原文：
Volatile Sieving Using Architecturally Designed Nanochannel Lamellar Membranes in Membrane Desalination
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
