"软喷雾技术一步法制备超薄凝胶膜实现染料/盐分离与海水淡化协同处理"

为解决高盐度染料废水中染料与盐分的有效分离及淡水回收难题，研究人员通过气液界面辅助软喷雾技术构建了兼具纳米多孔结构和光热性能的GO/SA/PVA凝胶膜（GSP）。该膜在0.1 MPa压力下实现37.3 L·m?2·h?1通量和>99%染料截留率，盐保留率<8%；在太阳能蒸发阶段达1.76 kg·m?2·h?1蒸发速率，兼具抗菌抗污性能。该研究为高盐染料废水的资源化处理提供了创新解决方案。

　　

纺织和染料制造业是化工领域的重要支柱，但每年产生大量具有高毒性、高盐度和深色特性的废水。传统处理方法如氧化、吸附和生物降解难以实现资源回收，而现有纳滤(NF)膜又面临膜污染和功能单一的限制。更棘手的是，高盐环境下染料与盐分的分离仅是第一步，后续脱盐才能获得可回用的淡水。这种双重挑战亟需开发兼具高效分离、脱盐能力和长期稳定性的新型膜材料。

针对这一需求，东北大学的研究团队在《Desalination》发表了一项突破性研究。他们创新性地采用气液界面辅助软喷雾技术，将氧化石墨烯(GO)、海藻酸钠(SA)和聚乙烯醇(PVA)的混合溶液雾化成微滴喷射至CaCl₂溶液表面，原位快速形成自支撑GSP凝胶膜。该技术通过超声雾化实现微滴均匀分布，利用气液界面效应控制膜厚和孔隙结构，最终获得厚度仅数十微米但机械强度优异的纳米多孔膜。

关键技术包括：1）软喷雾界面组装技术实现膜厚精确控制；2）GO-SA-PVA三元体系协同增强机械性能；3）光热转化驱动太阳能脱盐系统。研究采用染料截留率、离子透过率和蒸发速率等指标评估性能，并通过50次循环测试验证稳定性。

材料与方法
研究选用GO、SA和PVA作为膜基质，通过软喷雾技术将混合溶液雾化沉积在CaCl₂交联剂表面。该方法利用超声能量将溶液破碎为微米级液滴，在气液界面形成局部封闭空间，调控交联反应动力学，最终获得厚度可控的纳米多孔膜。

喷雾驱动组装机制
高频超声振动将前驱体溶液转化为均匀微滴，撞击溶液表面时产生局部Marangoni对流，促进SA与Ca²⁺的界面交联。GO片层在PVA网络中被固定，形成"砖-泥"结构增强机械强度，其丰富的含氧官能团同时提升亲水性。

染料/盐分离性能
GSP膜对分子量854-1298 Da的染料展现>99%截留率，而对NaCl的截留率<8%，通量达37.3 L·m^?2·h^?1（0.1 MPa）。这种选择性源于尺寸排阻效应和静电相互作用：膜内2-5 nm孔隙允许盐离子通过但阻挡染料分子，而带负电的GO增强了对阴离子染料的排斥。

光热脱盐性能
GO的光热效应使膜表面在1 kW·m^?2光照下升温至68°C，实现1.76 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率。独特的纳米多孔结构形成连续水传输通道，而交联网络抑制盐结晶，保障长期稳定蒸发。

抗菌与抗污染特性
GO的抗菌活性使膜对大肠杆菌抑制率达98%，PVA的亲水表面降低污染物吸附，经50次循环后通量恢复率仍保持95%以上。

这项研究开创性地将软喷雾技术应用于凝胶膜制备，通过"分离-脱盐"两步策略实现高盐染料废水的资源化处理。GSP膜不仅突破传统分离膜功能单一的局限，其光热-抗菌协同设计更为太阳能驱动的水处理系统提供新思路。该技术有望应用于纺织、印染等行业的废水处理，推动水处理领域向低碳可持续发展迈进。研究获得国家自然科学基金（22175030、22475032）和国家重点研发计划（2021YFB3801600）支持。