膜蒸馏过程抗结垢全疏膜的构建及其抗结垢机制的研究

Membrane distillation (MD) technology has been proposed as a promising candidate for treating highly saline industrial wastewater due to its merits of small footprint, low energy consumption, high water quality, and capability to utilize low-grade thermal energy. However, conventional hydrophobic membranes are vulnerable to membrane scaling, which leads to membrane failure in MD. To overcome this issue and to develop an anti-scaling membrane for MD, one promising solution is using surface chemistry to tune the surface energy of the membrane material for better anti-scaling performance. This project aims to develop a novel anti-scaling omniphobic membrane using electrospinning technology and “liquid-like” surface coating which has low surface hysteresis. We will systematically characterize the prepared membrane and evaluate its anti-scaling performance in MD tests. We will elucidate the anti-scaling mechanisms by integrating microscopic imaging, surface analysis, optical coherence tomography, and quartz crystal microbalance technologies. This project will provide new insights into membrane scaling mechanism, and develop new methodology for anti-scaling MD membrane preparation. This project will also provide theoretical and technological support for anti-scaling membrane development.

膜蒸馏技术因具有占地面积小、能耗低、出水水质高、可以利用工业废热、不受渗透压影响等优点，在废水回收与利用方面具有显著前景。然而，膜蒸馏技术在应用过程中面临着疏水膜表面容易结垢、造成膜失效的问题。通过膜表面改性，调控膜表面能，从而减少膜结垢的生成，是解决膜蒸馏过程结垢问题的一个有效途径。本项目针对膜蒸馏过程中膜结垢问题，基于类液体分子表面修饰降低材料表面液体黏附阻力的原理，用静电纺丝和表面化学修饰的方法，制备新型抗结垢全疏膜，集成利用显微成像、表面分析、光学相干层析成像和石英晶体微天平等技术，在系统评估新型抗膜结垢性能的基础上，解析膜表面结垢形成的机制，阐明新型膜材料抗结垢的机理。通过本项目的研究，有望发展一套新型抗结垢全疏膜技术方法，为新型抗结垢膜的研发提供理论与技术支撑,并对解决高盐高浓工业废水回用等难题具有重要科学意义和显著应用前景。

本项目针对膜蒸馏过程中，膜材料表面容易结晶引起膜失效的问题，基于类液体分子表面修饰降低材料表面液体黏附阻力的原理，制备新型抗结晶超疏水膜，对新型膜材料的材料特性、膜蒸馏性能、抗结垢行为进行了系统研究。并对膜材料的传质机制、抗结垢的热力学机理进行了解析。.（1）.利用静电纺丝和表面化学改性的手段，制备了类液体改性的抗结垢膜。研究了不同水解位点的氟硅烷对膜的形貌、膜孔粗糙度、膜表面浸润性等物理化学特性的影响，表明单水解位点的氟硅烷能够防止硅烷相互交联，实现单分子层的修饰，从而降低膜孔的粗糙度，从而降低膜孔的传质阻力，提高膜的通量。.（2）.研究了类液体表面改性膜的膜蒸馏性能及其抗结垢行为，表明类液体改性的低界面相互作用，能够有效降低膜蒸馏过程中盐类物质在膜表面的析出和结晶，在提高膜通量的同时有效提高膜的抗结垢能力，解决了常规改性思路中提高膜抗结垢能力之后出现膜通量下降的矛盾。.（3）.研究了类液体改性条件对膜性能及抗结垢能力的影响，揭示了改性分子的修饰密度和分子链枝化程度对膜的表面特性及膜性能的影响，结果表明，采用多次等离子-化学气相沉积循环的改性方法，能够提高修饰分子的枝化程度，提高膜的抗结垢能力并保持良好的通量。.（4）.基于上述研究，利用静电纺丝和金属有机框架材料（MOF）MAF-4，制备了新型复合膜材料，并利用类液体改性的原理，对MAF-4表面进行了改性。结果表明多孔材料的加入有效降低膜的综合导热系数，减轻膜两侧的温度极化现象，从而提高膜的通量。材料表面的类液体改性进一步提高膜的抗结垢性能。.（5）.针对传统润湿理论在解释膜材料接触角中遇到的问题，通过实验研究了表面活性剂SDS溶液和乙醇溶液在膜表面的浸润行为，发现溶质分子在膜界面的吸附行为极大影响了该溶液的宏观浸润特性。.本项目研究过程中共发表相关论文4篇，授权专利1项。项目负责人在国内外学术会议上做小组报告2次，墙报展示1次，培养硕士研究生2人，均已顺利毕业。