熱驅動膜脫鹽技術因其在高鹽廢水處理中的潛力而受到廣泛關注。然而，在保持較高的水通量的同時實現揮發物的高截留率仍然是一個相當大的挑戰。在此，提出了一種熱滲透蒸發（TOE）系統，該系統利用分子插層調節氧化石墨烯（GO）作為熱滲透選擇性滲透層，定位在疏水聚偏氟乙烯纖維膜上作為熱蒸發層。通過同時限制小分子以擴大層間間距并在GO層間引入聚合物以形成致密網絡，小心地構建GO膜的建筑層間納米通道，所得產物對NaCl的截留率為100%，對揮發性苯胺的截留率為97.41%，在40℃溫差下的透水率為63.80 L m
–2 h
–1，優于先前報道的GO基膜。模擬和計算結果表明，GO中間層之間的聚合物網絡有利于非揮發性離子和揮發性分子的高效分離，而通道的擴大降低了蒸汽擴散阻力。本研究為先進膜的設計提供了有價值的見解，并為復雜高鹽廢水處理TOE系統的持續發展提供了啟示。
圖1（A）具有多層GO納米片膜的TOE系統的示意圖，該多層GO納米片膜位于疏水性PVDF纖維膜上用于脫鹽，以及（B）由多層納米片膜中的相鄰納米片在干燥和潮濕狀態下形成的納米通道。（C） GO理論層間距對膜通量和揮發分截留率影響的示意圖和（D）解決這一矛盾的潛在概念和策略。（E） GO膜的層間納米通道之間設計屏障的示意圖，以增強揮發性篩分，并提出可能的揮發性篩分機理。
圖2. （A） 合成工藝示意圖，通過8-AA和PAA的聯合使用，創建具有定制建筑夾層的高滲透GO膜。（B） FE-SEM圖像顯示了相關GO膜的表面和橫截面圖，相應的TEM圖像包含在插圖中。（C） 圖示位于GO納米片層之間的8-AA和PAA分子的排列。（D） S/P-GO膜片段的HRTEM圖像和元素圖譜。
圖3. （A） 不同GO膜的XRD圖譜和（B）HRTEM圖像。（C） 密度泛函理論計算結果和（D）有機摻雜對GO膜層間距的IRI分析。（E） PAA鏈構象變化對分子直徑的影響。（F） 分別在20℃和60℃下浸入水中后膜的2D通道尺寸的變化。（G） 不同GO膜的XPS C 1s光譜。（H） 涉及PAA、8-AA和GO抗膨性能的交聯過程示意圖。
圖4. （A） N
2滲透性，（B）液體入口壓力和（C）各種GO膜的WCA。（D） 用于評估不同GO膜脫鹽性能的DCMD設置示意圖。（E） 比較膜蒸汽通量、苯胺和離子截留效率。（F） 相關膜的標準化蒸汽通量隨時間變化。（G） FE-SEM圖像描述了脫鹽12 h后膜的形態。（H） 不同濃度NaCl溶液的水回收率。（I） 代表力–使用前后S/P-GO膜的延伸曲線。（J） S/P-GO膜在脫鹽過程中篩選其他具有不同物理和化學性質的揮發性化合物的性能評估。（K） S/P-GO膜的脫鹽性能與文獻報道值的比較。
圖5. （A） S/P-GO膜抽真空到疏水和親水PVDF纖維膜上的照片。（B） 示意圖演示了TOE和膜脫鹽過程。（C） 揮發性篩分機理和水通過GO和S/P-GO膜傳輸的示意圖。（D） 不同GO膜的孔徑分布和平均孔徑。（E） GO基膜最終狀態下的滲透模型。（F） 通過GO基膜的苯胺和水分子的數量。（G） 快照描述了水通過S/P-GO膜的擴散，以及在大約0–12 ns的時間范圍內觀察到的該膜對苯胺和鹽的截留，快照顯示了潛在的雙重篩分機制。（H） 水-S/P-GO和苯胺-S/P-GO膜的相互作用能。
相關研究成果由哈爾濱工業大學
Wei Wang、南京理工大學Jiansheng Li課題組2025年發表在
ACS Nano (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15010)上。原文：
Volatile Sieving Using Architecturally Designed Nanochannel Lamellar Membranes in Membrane Desalination
轉自《石墨烯研究》公眾號
