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绿水青山就是金山银山。近年来，国家愈加重视生态环境保护，出台了一系列政策，支持污水处理行业发展。据统计：2015年污水年排放量仅466.62亿立方米，2018年突破500亿立方米，2019年增至554.65亿立方米，同比增长6.4%。污水处理和资源化问题制约着我国高质量、可持续的发展。在污水回用工艺过程的末端产生大量的高含盐卤水，含有复杂的无机、有机污染物，浓缩高含盐卤水是环境保护和资源化过程中非常重要的问题，也是实现零排放的关键步骤，常规的卤水浓缩技术如：蒸发、机械蒸汽再压缩、电渗析等，其能耗和固定成本均较高，而膜蒸馏(MD)技术操作简单，可利用低品味热源，具有较大的应用潜力。然而在浓缩过程中遇到的润湿、结垢和污染等问题，限制了膜蒸馏的进一步应用。近来，中科院上海高等研究院何涛研究员课题组先后与上海科技大学、大连理工大学、英国格拉斯哥大学、俄罗斯科学院开展合作，在超疏水表面耐结垢、耐污染方面取得系列进展，采用流变仪测试扭矩，进行滑移长度的计算，提出基于水-气-膜三相界面的表面滑移理论，完善了传统热力学成核理论在解释耐结垢现象上的不足，是在认识耐结垢理论方面的创新性进展，为耐结垢膜材料设计提供了指导。相关成果陆续发布在Water Research（2019,155:152-161）, Journal of Membrane Science（2020,603:118035; 2020,599:117819）, Desalination（2019,466:36-43;2021,499: 114864）等期刊。
1.采用微模塑相分离方法设计了一种超疏水聚偏氟乙烯(PVDF)微米柱阵列膜(MP-PVDF)，膜的接触角为166.0o，滚动角15.8o。经过四氟化碳（CF4）等离子体处理后，所得膜(CF4-MP -PVDF)的滚动角减小到3.0o，表现出优异的疏水性和耐结垢性能，通过热力学分析得出矛盾，从水力学角度出发，提出润湿状态在耐结垢方面的重要作用。相关成果以“Slippery for scaling resistance in membrane distillation: A novel porous micropillared superhydrophobic surface”和“Scaling mitigation in membrane distillation: From superhydrophobic to slippery”为题分别发表在Water Research 和Desalination上。(图1和图2)
图1 一种多孔微米柱膜的制备及耐结垢性能研究
图2 表面规整微米柱阵列PVDF 膜材料的制备及其在膜蒸馏中的滑动耐污染研究
2.基于超疏水微米柱膜，对表面进行正电荷改性，通过静电吸附作用负载二氧化硅纳米粒子，构建双疏膜SiNPs-MP-PVDF，对纯水（γ = 72.8 mN/m）的接触角高达175.6o，滚动角为3.5o，对低表面张力的十六烷（γ = 27.5 mN/m）接触角达到151o，在浓缩硫酸钙料液和酪蛋白溶液中表现出优异的性能。相关成果以“Unprecedented scaling/fouling resistance of omniphobic polyvinylidene fluoride membrane with silica nanoparticle coated micropillars in direct contact membrane distillation”为题发表在Journal of Membrane Science（图3）.
图3 纳米二氧化硅包覆的双疏膜的制备及其在浓缩硫酸钙和酪蛋白料液中的研究
4.在前面的研究中，课题组通过对疏水材料进行表面设计及改性，发现了气-液界面的存在对耐结垢性能的重要影响，以此为出发点，通过操控实验的工艺条件，阐述了脉冲流与表面滑移之间的协同作用机理，相关成果以“Synergy of slippery surface and pulse flow: An anti-scaling solution for direct contact membrane distillation”为题发表在Journal of Membrane Science (图4).
图4 脉冲流和滑移表面协同作用于膜蒸馏中耐结垢的研究
除此之外，课题组根据目前的研究成果，从流体动力学的角度提出了滑移边界条件起关键作用的新认识。该认识以题为“Understanding the fouling/scaling resistance of superhydrophobic/omniphobic membranes in membrane distillation”发表在Desalination上。
本研究得到了国家自然科学基金，英国皇家学会牛顿高级学者基金、中科院国际合作项目的支持，上海高研院硕士研究生肖泽淳、刘勇捷、刘莉为以上论文的第一作者，上海高研院何涛研究员为通讯作者。合作者包括上海科技大学章跃标教授团队，大连理工大学李战胜教授，英国格拉斯哥尹华兵教授团队，俄罗斯科学院Volkov教授等。
论文链接：
1. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.01.036
2. https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.05.006
3. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117819
4. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118035
5. https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114864
