北理工在超高通量膜蒸馏海水淡化膜方面取得研究成果


北京理工大学化学与化工学院王博教授和冯霄教授团队成功研发出新型晶态纳米孔薄膜,对65 oC盐水或浓污水(该温度可以通过废热或太阳热能等无额外能耗方式简单实现)进行高效膜蒸馏过程,每平方米薄膜每小时蒸馏水(99.99%NaCl截留率)产量可达到220升,该通量是目前商业MD膜通量的3倍,单纯COF分离层理论纯水通量更是高达1800升每平方米每小时。该分离膜还展现出优异的抗污染和抗浸润能力,在超过100小时连续工作过程中性能无衰减。

据统计全球有超过20亿人无法获得洁净安全的饮用水,因此淡水资源短缺问题是21世纪人类面临的严峻挑战,海水淡化是解决这一危机的有效途径。目前,海水淡化技术主要包括:反渗透技术(RO)、正渗透(FO)、多效蒸馏(MED)、多级闪蒸(MSF)、以及膜蒸馏(MD)等。在过去几十年中,全球海水淡化厂的数量迅猛增长,海水淡化产量每年可达到约380亿立方米,且50%以上的海水淡化厂使用的是反渗透技术。然而,RO是能源密集型技术,考虑到能源与水产出之间的相互依赖性,最大限度地降低海水淡化过程中的能耗尤为重要。此外,由于欠发达地区能源基础设施较差,因此利用可再生能源进行水处理的能力是不可或缺。

膜蒸馏(MD)技术利用膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力并通过热驱动使得水蒸气穿过多孔的疏水膜材料进行脱盐。膜蒸馏是膜技术与低温挥发技术相结合的产物,综合了反渗透和蒸馏技术的优点,可实现对溶液中盐离子接近100%的去除,在处理高浓度、高污染盐水和利用工业废热等低品位热以及太阳能、地热能方面具有巨大优势。此外,MD脱盐系统相比于传统热脱盐工艺(MED和MSF)设备简单、操作简便,具有构成大规模生产体系的灵活性。因此,MD作为一种可持续的、低能耗的海水淡化技术在诸多海水淡化工程中具有一定竞争力与应用前景。然而,传统聚合物疏水MD膜通量低且面临严重的膜污染和膜浸润等问题,严重限制了膜蒸馏技术的进一步发展。

膜蒸馏过程的核心是多孔疏水膜,理想的膜蒸馏用膜应同时兼顾高疏水性、高孔隙率、窄孔径分布和较小的弯曲因子,并且传统经验公式认为大孔疏水膜更有利于增大通量。然而,传统的聚合物材料以及膜制备方法很难同时满足这些条件,并且难以实现对膜孔道结构的精确调控。因此,开发新型膜材料以及分离膜制备方法对推动膜蒸馏技术的发展具有重要意义。

北京理工大学的王博教授和冯霄教授团队以具有规整贯穿纳米孔道的二维共价有机框架(COF)薄膜为基础,通过引入竞争性可逆共价键合策略,实现了孔道大小和孔内亲疏水环境随深度梯度变化的COFs薄膜的制备。利用COF薄膜限域纳米孔道中水蒸发的增强效应,实现了超高通量膜蒸馏海水淡化,颠覆了对MD膜材料需要大孔径孔道的传统认知,为开发下一代高性能MD分离膜提供了理论支持。相关成果以“Hydrophilicity gradient in covalent organic frameworks for membrane distillation”为题,发表在《Nature Materials》上,该文通讯作者是冯霄、王奉超、王博;第一作者是赵爽、蒋成浩、范竞存;本文实验部分由北理工完成,中科大王奉超团队利用分子动力学模拟为实验结果提供了强有力的理论支撑。


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