不对称超润湿Janus皮层复合纳米纤维膜的构筑及膜蒸馏耐久性研究

During the complex water treatment, it is urgent for the Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) to obtain a concurrent breakthrough in membrane antiwetting, antifouling and water flux. In this proposal we rationally propose a type of composite nanofibrous membrane with an asymmetrically-superwettable Janus skin layer for DCMD via sequential electrospinning/electrospraying. (1) On one hand, the superhydrophilic nanofilament skin with submicron thickness will be fabricated by electrospraying to resist membrane fouling of hydrophobic organics, while the superhydrophobic, even superomniphobic nanofilament skin layer will defend against the membrane wetting of hydrophilic organics. Considering the species, contents, ratios and inherent features of various organic contaminations, we will systematically study the skin layers by optimizing electrospraying polymers, roughness construction routes, synthesis procedures, electrospraying conditions, thickness and porous structures. Meanwhile, it is also anticipated to reveal the interaction between the contaminations and selectively-wetting membrane surfaces. Moreover, in order to overcome the fouling from extracellular secretions of microbial biofilms in some cases, feasible antimicrobial agents may also be incorporated into the nanofilament skins to inhibit the cloning of microbes on the membranes. (2) On the other hand, we will focus on the fabrication of nanofibrous membrane supports via electrospinning by optimizing the composition, structures and antiwetting properties, and expected to obtain nanofibrous supports with both low heat transmission and high mass transfer. Finally, the Janus skins and the supporting layers should synergetically coordinate to obtain high-throughout, wet-tolerant and anti-fouling membranes, which is meaningful for the development and practical application of DCMD.

具有重要应用意义的直接接触式膜蒸馏，在面对复杂水处理对象时，须同时在膜润湿、膜污染控制，以及通量上获得突破。本课题提出采用次序电纺/电喷技术构筑不对称超润湿的Janus皮层复合纳米纤维蒸馏膜。一方面，利用亚微米厚的超亲水电喷纳米丝皮层排斥水中疏水有机物污染，利用超疏水甚至超憎液皮层抵御亲水有机物润湿，继而提升膜耐久性；并根据水中污染物的种类、含量、比例、表面特性开展皮层的系统研究，优选高分子和粗糙度构造因子，优化合成方法与电喷条件，研究皮层厚度和孔隙结构等；并揭示不同特性污染物与选择润湿表面的作用规律和构效关系。此外，为了拓展应用，在蒸馏膜皮层中引入抗微生物因子，避免长期运行中微生物胞外分泌物对膜表面特性的损坏。另一方面，通过组成和结构优化，研究低传热、高传质电纺纳米纤维基膜，促进蒸馏通量有效提升。最终保证Janus皮层与支撑层协同搭配，促进高通量、耐润湿、耐污染蒸馏膜的发展与应用。

以疏水透气膜为核心的膜蒸馏技术是一种促进海水淡化和高盐废水处理的有效方法。然而在面对复杂水处理对象时，须同时在膜润湿、膜污染、膜结垢控制，以及通量上获得突破。本项目以电纺技术为手段，研制了高通透、不对称超浸润Janus纳米纤维蒸馏膜。从材料设计、稳定性提升和机制研究等层面开展系统研究。首先，从表面化学特性入手，提出了亲水多孔皮层保护的Janus蒸馏膜体系，制备了超亲水/超疏水以及超亲水/全疏Janus复合纳米纤维蒸馏膜，利用亲水层抵抗油滴膜污染，利用全疏层抵抗表面活性剂带来的膜润湿，并利用连通孔特性提升通量。其次，从膜孔稳定性入手，国际上率先阐明了电纺膜孔稳定化对膜蒸馏稳定性的作用机制，发展了面向高盐水处理的新材料体系：（i）在疏水基膜膜孔稳定性方面，发展了二维后焊接和三维原位焊接膜孔稳定化策略。基于三维原位焊接，实现了电纺膜孔在3D尺度上的机械互锁，降低膜孔变形性，显著提升处理高浓盐水时的抗结垢特性和运行稳定性，解决了长期运行中的膜内部润湿的问题。（ii）在亲水保护层孔结构方面，研究了分子交联的致密亲水超薄凝胶保护层并构建出复合Janus蒸馏膜，使得表面活性剂耐受浓度提升10倍，盐度耐受程度提高到50%的超高盐体系（NaCl计），并通过凝胶保护层中蒸发前沿的前移，保持了高蒸馏通量。同时研究导热特性的影响，发现提高边界层热导系数可以显著提高蒸发通量。最后，为了提升对微生物的耐受性和增强能耗的可持续性，研究了抗菌及光热功能膜，并探究了太阳能蒸馏净水应用。通过CuO及Ag纳米材料对膜表面进行修饰，获得了具有优异抑菌性能的膜材料；同时利用CuO、Ag及基底材料的光热吸收特性，实现了稳定的太阳能光热蒸馏净水应用，将废热能利用扩展太阳能利用，助力低碳发展。该项目共发表SCI论文18篇，授权发明专利4项（一项转化），获黑龙江省自然科学一等奖1项，中国复合材料学会科学技术奖励1项，培养3名博士研究生毕业，6名硕士研究生毕业，支撑项目负责人入选国家高层次青年人才计划。