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  2020年1月，Engineered Science旗下《Engineered Science》期刊在線發(fā)表了德州農(nóng)工大學(xué) （Texas A&M University）機(jī)械工程系李穎教授的最新論文“Superhydrophobic Electrospun PVDF Membranes with Silanization and Fluorosilanization Co-Functionalized CNTs for Improved Direct Contact Membrane Distillation” (文章號(hào)：Eng. Sci., 2020, 9, 35-43)，研究詳細(xì)闡述了硅烷化和氟硅烷化共官能化CNT的超疏水靜電紡PVDF膜的制備并應(yīng)用于直接接觸膜蒸餾。(DOI: 10.30919/es8d905)。

  清潔水的短缺是影響全球數(shù)百萬人的全球性問題之一，并且由于人口增長，工業(yè)發(fā)展和氣候變化，這一問題變得越來越嚴(yán)重。為了解決該問題，已經(jīng)開發(fā)了許多高級(jí)技術(shù)，例如反滲透（RO）和納米過濾，但是這些技術(shù)仍然耗能且昂貴，阻礙了大規(guī)模應(yīng)用。直接接觸式膜蒸餾（DCMD）是一種熱驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用溫度差在熱進(jìn)料側(cè)和冷蒸餾側(cè)之間通過疏水膜產(chǎn)生蒸汽壓，因此，水蒸氣從熱側(cè)通過膜輸送并通過在冷側(cè)冷凝，而鹽和污染物留在熱側(cè)，如圖1。由于進(jìn)料側(cè)的工作溫度可能在30oC至90oC的范圍內(nèi)，低于水的沸點(diǎn)，因此該技術(shù)可以利用工業(yè)廢熱，太陽能和一些可再生能源來加熱進(jìn)料側(cè)，從而達(dá)到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)友好的效果。

圖1 DCMD設(shè)置的示意圖

  直接接觸膜蒸餾（DCMD）是一種有前途的水凈化方法，制造具有高孔隙率，均勻孔徑分布和高表面疏水性的膜對(duì)提高該方法的效率至關(guān)重要。這項(xiàng)研究將具有兩個(gè)表面功能化即硅烷化和氟硅烷化的碳納米管（CNT）與聚偏二氟乙烯（PVDF）混合，以制備用于DCMD的電紡復(fù)合納米纖維膜。

圖2 膜的排鹽效率

  該文研究了碳納米管表面功能化對(duì)碳納米管分散性和膜孔徑，孔隙率，疏水性和DCMD性能的影響。結(jié)果表明，碳納米管改善了膜的疏水性，碳納米管的表面功能化進(jìn)一步改善了這種性能。發(fā)現(xiàn)在測試的膜中，具有共官能化CNT的膜達(dá)到最高的餾出液通量（?45 Lm^-2 h^-1）和脫鹽率（?99.99％），如圖2。

圖3 水滴在不同膜上的接觸角

  該通量分別比具有未官能化的CNT和不具有CNT的膜上的通量高14％和46％。表征表明，優(yōu)異的性能歸因于共官能化改善了CNT的分散性，高孔隙率（?85.5％），較大的平均孔徑（?0.89 μm）和膜的表面超疏水性（接觸角?153o），如圖3 。這項(xiàng)工作表明，CNT的共官能化是在DCMD應(yīng)用中提高PVDF膜性能的巨大潛力的途徑。

圖4電紡PVDF膜中功能化CNT改善DCMD性能的可能機(jī)理示意圖

  圖4說明了電紡PVDF膜中功能化CNT改善DCMD性能的可能機(jī)理。首先，據(jù)報(bào)道，CNT具有非常高的快速吸附和解吸能力，提供了水蒸汽擴(kuò)散途徑，從而可以通過膜，從而從中受益。蒸氣運(yùn)輸。其次，表面氟硅烷化可以降低碳納米管之間的表面能和范德華力，這將有助于改善碳納米管在聚合物基體中的分散性，并充分利用官能化的碳納米管。第三，氟硅烷化官能化碳納米管具有很高的疏水性，它們可以通過在納米纖維表面形成突起來增加納米纖維的表面粗糙度。第四，通過結(jié)合表面硅烷化和氟硅烷化，將具有不同鏈長的兩個(gè)表面基團(tuán)引入CNT表面，如圖4所示。這兩個(gè)不同長度的鏈進(jìn)一步增加了CNT和納米纖維的表面粗糙度以改善疏水性。結(jié)果，這些共官能化的CNT改善了膜的疏水性和抗?jié)裥裕瑥亩鴰椭杷钥妆谂懦馑魵夥肿�，從而減輕了孔壁與水蒸氣分子之間的摩擦，從而促進(jìn)了水蒸氣的運(yùn)輸。

  德州農(nóng)工大學(xué)機(jī)械工程系李穎教授為該論文的通訊作者。Gao Chongjie, Deng Wei為論文共同第一作者。該論文得到德克薩斯州A＆M能源研究所和德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)材料表征中心的支持。

  論文鏈接：http://www.espublisher.com/journals/articledetails/208/