海水淡化鹽分截留率可達99.99％！天津大學製備出一種複合膜

導讀：海水淡化技術是解決淡水危機有希望的解決方案。本文製備的複合膜的水通量可以達到26.7 kg m –2 h –1，在70°C下，對於3.5 wt％的NaCl水溶液，鹽分截留率為99.99％，在高鹽海水或水溶液的滲透蒸發脫鹽中具有廣闊的應用前景。

淡水危機是我們社會的主要挑戰之一，解決該問題有希望的解決方案是海水淡化技術。當前，反滲透（RO）是一種在許多實際應用中基於膜的主要技術，用於生產淡水，具有許多優點，例如處理能力大，操作簡便，無需加熱等。然而，克服海水的滲透壓消耗大量能量並且導致嚴重的膜汙染和降解。在過去的幾十年中，滲透蒸發在各種應用中引起了越來越多的關注，包括有機物的脫水，有機物的回收以及分離。由於滲透蒸發技術在能源效率和易於操作方面的優勢，因此正在對其進行深入研究。它可以處理RO系統以外的高鹽度海水。此外，滲透蒸發的優勢包括阻隔痕量揮發性有機物以產生純淨水，這很難通過反滲透或直接蒸發工藝實現。儘管在滲透蒸發過程中發生了相變，但所需溫度並不高。因此，在此過程中可以利用少量熱能甚至太陽能，從而使滲透蒸發在大規模應用中更加實用。

成功實現全蒸發脫鹽的關鍵在於高質量的膜，該膜可提供高通量和理想的鹽去除率。迄今為止，已經研究了由包括有機聚合物，聚合物混合基質和無機材料在內的各種原材料製成的膜，以獲得高脫鹽效率。近年來，氧化石墨烯（GO）已廣泛用於與水有關的過程中。GO由於其規則的層間結構和對水分子的低摩擦傳輸能力，是製備高通量全蒸發膜的理想選擇。但是，由於GO片材上存在羥基，羰基，環氧基等含氧官能團，因此所得GO膜容易在水溶液中溶脹，破壞了規則的層間結構，因此阻隔性能不佳。

近日，天津大學Baoquan Zhang教授（通訊作者）課題組製備了聚醯胺（PA）-氧化石墨烯（GO）複合膜以增強高鹽溶液的滲透蒸發脫鹽。薄條狀結構的PA層通過界面聚合反應在基礎GO膜上形成，這增強了膜表面的親水性，並為水分子的富集和滲透提供了更多的活性位點。這種膜的水通量可以達到26.7 kg m –2 h –1，在70°C下，對於3.5 wt％的NaCl水溶液，鹽分截留率為99.99％。當進料鹽濃度增加到10 wt％時，水通量可以保持較高水平（約24.0 kg m –2 h –1）並具有理想的離子排斥（99.99％）。此外，在製備的PA-GO複合膜的長期測試中，優異性能可以穩定保持。所有結果表明，該研究製備的PA-GO複合膜在高鹽海水或水溶液的滲透蒸發脫鹽中具有廣闊的應用前景！相關研究工作以「Facile Preparation of Polyamide−Graphene Oxide Composite Membranes for Upgrading Pervaporation Desalination Performances of Hypersaline Solutions」為題發表在國際著名期刊《Ind. Eng. Chem.Res. 》上。

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.iecr.0c01417

圖1. 通過壓力輔助超濾並隨後進行界面聚合來製備PA-GO複合膜

圖2. a）GO和PA-GO複合膜的FT-IR光譜和（b）XRD圖

圖3 GO膜（a，b）和PA-GO複合膜（c，d）的頂部和斷面FESEM圖像

圖4 3.5 wt％NaCl水溶液，GO層厚度對PA–GO複合膜的滲透蒸發性能的影響

圖5 對於3.5 wt％的NaCl水溶液，進料溫度對PA–GO複合膜滲透蒸發性能的影響。

圖6 PA–GO複合膜在70°C下對3.5 wt％NaCl水溶液的長期滲透蒸發性能測試

綜上所述，在PA和GO層的協同作用下，實現了脫鹽性能的顯著提升。隨著進料溫度（30–70°C）的升高，水通量持續上升，3.5 wt％NaCl水溶液的除鹽率為99.99％。在70°C下，水通量為26.7 kg m –2h –1，並且有超高阻隔率。當進料鹽濃度增加到10 wt％時，仍然有高水通量24.0 kg m –2h –1，除鹽率達到99.99％，證明了PA–GO複合膜在處理高鹽度海水中的潛力。而且，在長期測試中可以穩定地保持優異的脫鹽性能。（文：嘉一）

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