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北理工在超高通量膜蒸馏海水淡化膜方面取得研究成果


北京理工大(da)学(xue)化学(xue)与(yu)化工学(xue)院王博教授(shou)和(he)冯霄教授(shou)团队成(cheng)功研发出新(xin)型(xing)晶态纳(na)米孔薄(bo)膜,对65 oC盐水(shui)(shui)(shui)或浓污水(shui)(shui)(shui)(该(gai)温度可以通(tong)过废热或太(tai)阳热能(neng)等无额外能(neng)耗(hao)方式简单实现(xian))进行高效膜蒸馏过程,每(mei)(mei)平方米薄(bo)膜每(mei)(mei)小时(shi)蒸馏水(shui)(shui)(shui)(99.99%NaCl截留率)产量可达到220升,该(gai)通(tong)量是目前(qian)商业(ye)MD膜通(tong)量的3倍,单纯COF分离(li)层(ceng)理论纯水(shui)(shui)(shui)通(tong)量更是高达1800升每(mei)(mei)平方米每(mei)(mei)小时(shi)。该(gai)分离(li)膜还展现(xian)出优异的抗(kang)污染(ran)和(he)抗(kang)浸(jin)润能(neng)力,在超(chao)过100小时(shi)连续工作过程中性能(neng)无衰(shuai)减。

据(ju)统计全球(qiu)有超过(guo)(guo)20亿人无(wu)法(fa)获得洁净安(an)全的(de)(de)饮用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui),因此(ci)(ci)淡(dan)水(shui)(shui)(shui)资源(yuan)短缺问(wen)题(ti)是(shi)(shi)21世纪人类面(mian)临的(de)(de)严峻挑战(zhan),海(hai)水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化是(shi)(shi)解决这一危机的(de)(de)有效途(tu)径。目前,海(hai)水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化技(ji)(ji)术主要包(bao)括:反渗(shen)透技(ji)(ji)术(RO)、正(zheng)渗(shen)透(FO)、多(duo)效蒸(zheng)(zheng)(zheng)馏(MED)、多(duo)级闪蒸(zheng)(zheng)(zheng)(MSF)、以及膜蒸(zheng)(zheng)(zheng)馏(MD)等。在过(guo)(guo)去几十年(nian)中(zhong),全球(qiu)海(hai)水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化厂的(de)(de)数量迅猛(meng)增长,海(hai)水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化产(chan)(chan)量每年(nian)可达到(dao)约380亿立方米,且50%以上的(de)(de)海(hai)水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化厂使用(yong)(yong)的(de)(de)是(shi)(shi)反渗(shen)透技(ji)(ji)术。然而,RO是(shi)(shi)能(neng)源(yuan)密集型技(ji)(ji)术,考虑到(dao)能(neng)源(yuan)与水(shui)(shui)(shui)产(chan)(chan)出之间的(de)(de)相互(hu)依赖性,最大限(xian)度地(di)降低海(hai)水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化过(guo)(guo)程中(zhong)的(de)(de)能(neng)耗(hao)尤为重要。此(ci)(ci)外,由于(yu)欠发达地(di)区(qu)能(neng)源(yuan)基础设施较(jiao)差,因此(ci)(ci)利用(yong)(yong)可再生能(neng)源(yuan)进行水(shui)(shui)(shui)处理的(de)(de)能(neng)力是(shi)(shi)不可或缺。

膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)(zheng)馏(MD)技术(shu)(shu)利用膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)两侧蒸(zheng)(zheng)汽压力(li)差(cha)为传质驱动(dong)力(li)并通(tong)过热驱动(dong)使得水(shui)蒸(zheng)(zheng)气穿过多(duo)孔的(de)疏水(shui)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)材料进(jin)行脱盐(yan)。膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)(zheng)馏是膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)技术(shu)(shu)与(yu)低温挥发技术(shu)(shu)相结合(he)的(de)产(chan)物(wu),综合(he)了反渗透和蒸(zheng)(zheng)馏技术(shu)(shu)的(de)优点,可实(shi)现对溶液(ye)中盐(yan)离子接近100%的(de)去除,在(zai)(zai)处理高浓度、高污(wu)(wu)染(ran)盐(yan)水(shui)和利用工(gong)(gong)业废(fei)热等低品位热以及(ji)太阳能、地热能方面具(ju)有巨大优势。此(ci)外,MD脱盐(yan)系统(tong)相比于传统(tong)热脱盐(yan)工(gong)(gong)艺(MED和MSF)设备简(jian)单、操作(zuo)简(jian)便,具(ju)有构成(cheng)大规(gui)模生产(chan)体系的(de)灵活性。因此(ci),MD作(zuo)为一种可持续的(de)、低能耗(hao)的(de)海水(shui)淡(dan)化(hua)技术(shu)(shu)在(zai)(zai)诸(zhu)多(duo)海水(shui)淡(dan)化(hua)工(gong)(gong)程中具(ju)有一定竞争(zheng)力(li)与(yu)应用前景。然而,传统(tong)聚合(he)物(wu)疏水(shui)MD膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)通(tong)量低且面临严(yan)重(zhong)的(de)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)污(wu)(wu)染(ran)和膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)浸(jin)润(run)等问题,严(yan)重(zhong)限制(zhi)了膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)蒸(zheng)(zheng)馏技术(shu)(shu)的(de)进(jin)一步发展(zhan)。

膜(mo)蒸馏过程的(de)核心(xin)是多孔疏(shu)水(shui)膜(mo),理想的(de)膜(mo)蒸馏用膜(mo)应同时兼顾高疏(shu)水(shui)性、高孔隙率、窄孔径(jing)分布和较小的(de)弯(wan)曲因(yin)子,并且传统经验公式(shi)认为大(da)孔疏(shu)水(shui)膜(mo)更有(you)利于(yu)增大(da)通量。然(ran)而,传统的(de)聚(ju)合物材料以及膜(mo)制备方法很(hen)难(nan)同时满(man)足这些条件,并且难(nan)以实现对(dui)膜(mo)孔道结构的(de)精(jing)确(que)调控(kong)。因(yin)此(ci),开发新型膜(mo)材料以及分离膜(mo)制备方法对(dui)推(tui)动膜(mo)蒸馏技术的(de)发展(zhan)具有(you)重要意义。

北(bei)京理(li)工(gong)大(da)学的(de)(de)王(wang)博教授和冯霄教授团队(dui)以具有规整(zheng)贯穿纳(na)(na)米(mi)孔(kong)道的(de)(de)二维共价(jia)有机框架(COF)薄(bo)(bo)膜(mo)为基(ji)础,通(tong)(tong)(tong)过(guo)引入竞(jing)争性可逆共价(jia)键合策略(lve),实现了(le)孔(kong)道大(da)小和孔(kong)内亲(qin)疏水环境随深度梯度变(bian)化(hua)的(de)(de)COFs薄(bo)(bo)膜(mo)的(de)(de)制备。利(li)用(yong)COF薄(bo)(bo)膜(mo)限域纳(na)(na)米(mi)孔(kong)道中(zhong)(zhong)水蒸发(fa)的(de)(de)增强(qiang)效应,实现了(le)超(chao)高(gao)通(tong)(tong)(tong)量膜(mo)蒸馏海水淡(dan)化(hua),颠覆了(le)对(dui)MD膜(mo)材(cai)料需要大(da)孔(kong)径孔(kong)道的(de)(de)传(chuan)统认知,为开发(fa)下一代(dai)高(gao)性能MD分离膜(mo)提(ti)供(gong)了(le)理(li)论支持。相关成(cheng)(cheng)果以“Hydrophilicity gradient in covalent organic frameworks for membrane distillation”为题,发(fa)表(biao)在《Nature Materials》上,该(gai)文通(tong)(tong)(tong)讯作(zuo)者是冯霄、王(wang)奉超(chao)、王(wang)博;第一作(zuo)者是赵爽、蒋成(cheng)(cheng)浩、范竞(jing)存;本文实验部分由北(bei)理(li)工(gong)完成(cheng)(cheng),中(zhong)(zhong)科大(da)王(wang)奉超(chao)团队(dui)利(li)用(yong)分子动力学模(mo)拟为实验结果提(ti)供(gong)了(le)强(qiang)有力的(de)(de)理(li)论支撑(cheng)。


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