亲水-疏水膜的孔隙填充方法：提升膜蒸馏性能

《Desalination》：Pore-filling method for hydrophilic-hydrophobic membranes: Enhancing performance in membrane distillation

膜蒸馏中通过乙醇等孔填充材料制备聚苯砜-聚多巴胺双面膜，有效防止亲水层侵入疏水层孔隙，解决湿ting和污染问题。乙醇填充膜在通量（19.85 kg/m2·h）和抗污染（盐 rejection 99.99%）方面最优，并具有长期稳定性和抗表面活性剂湿ting能力。

　　本研究聚焦于膜分离技术中的一个关键领域——膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）。作为新一代的海水淡化技术，MD通过温度梯度实现水蒸气的分离，相较于传统的压力驱动系统如反渗透（Reverse Osmosis, RO），其在能耗和成本方面具有显著优势。然而，MD在实际应用中仍面临两大挑战：膜孔湿ting和膜污染。这两者不仅限制了MD的效率，还影响了其长期运行的稳定性。为应对这些问题，研究者们致力于开发具有特殊表面结构的膜材料，尤其是双面膜（Janus Membranes）和具有优异抗污染性能的超疏水膜。这些膜材料通过在膜表面引入不同的亲水/疏水特性，有效提升了膜的抗污染能力，同时增强了其抗湿ting性能。

在众多膜材料中，聚砜（Polysulfone, PSf）因其良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性被广泛应用于MD膜的基底层。而聚多巴胺（Polydopamine, PDA）作为一种仿生材料，因其强大的附着力、亲水性以及易于加工等特性，被广泛用于膜表面修饰。PDA含有多种功能基团，如儿茶酚、醌和氨基，这些基团不仅赋予PDA良好的亲水性，还能与不同基底材料发生多种相互作用，如氢键、共价键和π键，从而实现稳定的表面修饰。然而，尽管PDA在提高膜性能方面表现出色，其在疏水基底上的附着能力仍存在一定的局限性，特别是在长期运行过程中，PDA层可能因化学结构的不匹配而发生脱落（delamination），影响膜的使用寿命。

此外，PDA层在疏水基底上的渗透问题也是制约MD膜性能的重要因素。当PDA层渗透进入疏水基底的孔隙时，会导致孔隙结构的改变，使其部分区域变为亲水性，从而引发湿ting现象。湿ting不仅会降低膜的传质效率，还会显著影响盐分的截留率，进而影响整体的脱盐效果。因此，如何有效防止PDA层的渗透，成为提升MD膜性能的关键课题。

为解决上述问题，本研究提出了一种创新的策略，即通过引入孔隙填充材料来防止PDA层的渗透。孔隙填充材料的选择对于控制PDA层的沉积深度、表面粗糙度以及膜的整体性能具有重要影响。在本研究中，选择了乙醇、异丙醇和甘油作为孔隙填充材料，以评估其对PDA层渗透的抑制效果。通过实验发现，乙醇作为填充材料表现出最佳的性能，不仅有效减少了PDA层的渗透，还显著提升了膜的水通量和盐分截留率。

在实验过程中，采用了直接接触膜蒸馏（Direct Contact Membrane Distillation, DCMD）系统进行膜性能评估。该系统使用含有3.5% NaCl的盐水作为进料溶液，以测试膜在实际运行条件下的分离效果。实验结果表明，经过PDA修饰的膜在水接触角、表面粗糙度以及水通量等方面均表现出显著改善。水接触角的降低表明膜表面亲水性的增强，而表面粗糙度的增加则有助于提高膜的抗污染能力。通过进一步的实验分析，研究者们发现乙醇填充的膜（PSf-Eth-PDA）在DCMD系统中表现出最高的水通量（19.85 kg/m2h）和盐分截留率（99.99%），验证了孔隙填充策略在提升膜性能方面的有效性。

此外，本研究还评估了膜在长期污染条件下的稳定性。通过在含有3.5% NaCl和1 g/L菜籽油的溶液中进行污染实验，观察膜在72小时内的水通量和渗透液电导率变化情况。实验结果表明，PSf-Eth-PDA膜在污染条件下仍能保持稳定的水通量和一致的渗透液电导率，显示出优异的抗污染性能。这一结果进一步验证了孔隙填充策略在提升膜抗污染能力方面的潜力。

在评估膜的湿ting行为时，采用了十二烷基硫酸钠（Sodium Dodecyl Sulfate, SDS）作为表面活性剂进行测试。SDS是一种常用的表面活性剂，能够模拟实际运行中可能遇到的污染情况。实验结果表明，PSf-Eth-PDA膜在SDS作用下表现出极强的抗湿ting能力，其湿ting阻力显著高于其他类型的膜。这一结果表明，孔隙填充策略不仅能够有效防止PDA层的渗透，还能显著提升膜的抗湿ting性能。

本研究的创新点在于首次将孔隙填充材料引入MD膜的制备过程中，以控制PDA层的渗透问题。通过实验验证，孔隙填充材料的选择对膜的性能具有重要影响，其中乙醇作为填充材料表现出最佳效果。此外，研究还探讨了PDA层在疏水基底上的附着能力，以及膜表面结构对水通量和盐分截留率的影响。实验结果表明，PDA层的附着能力在一定程度上决定了膜的抗污染性能，而孔隙填充策略则有效提升了膜的稳定性。

在实际应用中，MD膜的性能不仅受到材料选择的影响，还受到制备工艺和运行条件的制约。因此，优化膜的制备工艺，提高膜的稳定性和抗污染能力，是提升MD技术应用的关键。本研究通过引入孔隙填充材料，成功解决了PDA层渗透的问题，同时提升了膜的水通量和盐分截留率，为MD技术的进一步发展提供了新的思路。

此外，研究还强调了孔隙填充材料在控制膜表面结构和提升膜性能方面的重要作用。通过实验发现，不同类型的孔隙填充材料对膜的性能具有不同的影响，其中乙醇因其独特的物理化学性质，能够有效减少PDA层的渗透，同时提升膜的抗污染能力。这一发现为今后开发更高效、更稳定的MD膜提供了重要的参考依据。

在实际应用中，MD技术的推广还受到成本和可扩展性的限制。因此，开发低成本、易规模化生产的膜材料，是提升MD技术应用的关键。本研究通过引入孔隙填充材料，不仅提升了膜的性能，还降低了膜的制备成本，为MD技术的商业化应用提供了新的可能性。

综上所述，本研究通过引入孔隙填充材料，成功解决了PDA层渗透的问题，同时提升了膜的水通量和盐分截留率。这一创新策略为开发高性能、稳定且抗污染的MD膜提供了重要的技术支持。未来，随着对膜材料和制备工艺的进一步研究，MD技术有望在海水淡化领域发挥更大的作用。