膜蒸馏(MD)是一种利用疏水微孔膜两侧的蒸汽压差驱动水蒸气传输的热法脱盐技术,理论上能100%截留非挥发性溶质。然而,MD在长期运行中,尤其是在处理含有表面活性剂等两亲性分子的实际工业废水中,极易发生膜润湿。即废水突破膜的疏水屏障,直接进入膜孔和产水侧,导致产水水质急剧恶化。这是阻碍MD工业化的最主要瓶颈。碳纳米管(CNT)是一种天然的、具有极强化学惰性和热稳定性的超疏水材料。由其制成的自支撑中空纤维膜,将CNT的优异物理化学性质与中空纤维膜的高装填密度完美结合。此外,CNT具有优异的导电性,这使得可以外接电源,通过电化学手段来主动调控膜表面的润湿状态和抗污染性能。
本研究成功制备了纯CNT的自支撑中空纤维膜,纯水接触角高达158°,滚动角小于5°,属于典型的Cassie-Baxter态超疏水表面。在长达100小时的DCMD处理模拟高盐(3.5wt%NaCl)含不同浓度表面活性剂废水的测试中,CNT膜展现了远优于商品PVDF膜的稳定性和抗润湿能力。在处理含0.4mM SDS的进料液时,商品PVDF膜在4小时内即发生润湿,而CNT膜稳定运行60小时后产水电导率仍无升高,表现出了极强的抗润湿能力。
更为独特的是,针对长期运行后某些膜孔可能出现的局部初始润湿,利用CNT膜的导电性,通过将其作为阴极施加一个微弱的负电位,观察到已经轻微升高的产水电导率在数小时内又逐渐下降并恢复到正常水平。其原理是施加的负电位增强了CNT膜表面与水中带负电的表面活性剂分子之间的静电排斥力,并能原位产生微气泡阻碍润湿,同时电化学产生的微量活性氧还可能降解掉部分附着的表面活性剂。这种通过“电调控”实现膜抗润湿自修复的功能,为设计下一代本质安全、智能调控的膜蒸馏膜提供了全新的设计维度。
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