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全球面临水危机，传统反渗透（RO）技术存在局限。研究人员开展压力驱动蒸馏（PD）相关膜材料研究，制备出 TFC-PD 膜。该膜对非挥发性溶质 rejection 高，且抗氯、抗垢，为高效淡水生产提供新方向。
在全球水资源日益紧张的当下，传统的水资源获取方式已难以满足需求，从非传统水源如废水、海水和微咸水中制取淡水成为研究热点。反渗透（RO）技术作为目前广泛应用的膜分离技术，虽能从多种非传统水源制取饮用水，但存在诸多问题。其一，RO 过程的效率常受限于透水率和溶质选择性之间的固有权衡；其二，RO 膜难以有效去除像硼、尿素和消毒副产物等低分子量中性溶质，需额外的后处理才能获得高质量的产品水；其三，聚酰胺基 RO 膜易受活性氯的影响，需要一系列昂贵的预处理步骤来控制生物污染和氧化。因此，开发一种创新、耐用的膜，简化预处理步骤，对污染物和氧化剂具有化学惰性，成为实现可持续生产高质量淡水的关键。
在此背景下，研究人员致力于探索新的膜技术，压力驱动蒸馏（PD）技术应运而生。PD 技术因其近乎完美的选择性、相似的能源效率和抗氧化性，被视为当前 RO 工艺的潜在替代方案。在 PD 过程中，通过向进料溶液施加足够的液压，驱动水分子蒸发和蒸汽在气隙层中的传输，从而在膜两侧形成部分蒸汽压差，实现水的分离。然而，PD 技术的发展在很大程度上依赖于坚固且大面积的超疏水膜，而目前 PD 膜的开发仍存在不足，尤其是缺乏适用于聚合物膜的可扩展制造策略。
为了解决这些问题，研究人员开展了关于压力驱动蒸馏用超疏水薄膜复合（TFC）气隙膜的研究。他们制备出一种具有受限传输通道的 TFC-PD 膜，该膜由氟硅超疏水层、聚二甲基硅氧烷 - 葫芦脲分子（PDMS@CB）透气层和聚合物基底组成。通过一系列实验和分析，研究取得了重要成果，并发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用了简便的溶胀辅助沉积策略构建氟硅超疏水层；通过将 PDMS、TEOS、DBD 和 CB 等原料反应制备 PDMS@CB 悬浮液，进而构建透气层。在膜的表征和性能测试方面，运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）等多种光谱技术分析膜的化学组成；利用扫描电子显微镜（SEM）观察膜的表面和横截面形态；通过分子动力学模拟研究水蒸汽分子的传输行为；使用实验室规模的死端装置评估膜的分离性能。
下面来看具体的研究结果：
- TFC-PD 膜的设计与组装：根据 Young-Laplace 方程，减小膜孔径、增强疏水性并增加膜厚度有助于维持气隙层在高液压下的非润湿状态。基于此，设计的 TFC-PD 膜的氟硅超疏水层可促进蒸汽快速扩散并减少温度极化；PDMS@CB 层形成的受限传输通道有利于蒸汽相扩散；亲水性基底提供机械强度并促进液体渗透。通过多种实验手段对 CB 分子的理化性质进行了确认，同时氟硅超疏水层通过溶胀辅助沉积策略构建成功，水接触角（WCA）达到 161°。
- TFC-PD 膜的结构表征：FTIR 光谱、XPS 等分析证实了氟硅层和 PDMS@CB 层成功沉积在膜上，且膜表面元素分布均匀。SEM 图像显示氟硅纳米颗粒紧密堆积在膜表面，形成约 50nm 厚的氟硅超疏水层和约 150nm 厚的 PDMS@CB 层，这种薄层结构减少了传输阻力。该膜具有超疏水特性，WCA 为 161°，滑动角小于 3°，还表现出良好的动态超疏水、拒水和耐磨性能，表面带负电，zeta 电位为 - 41.5mV，气体渗透测试表明膜层连续、致密且无缺陷，水蒸汽渗透率为 294GPU。
- TFC-PD 膜的脱盐性能：使用含不同离子直径盐溶液测试发现，TFC-PD 膜对所有测试盐的截留率均超过 99%，其分离机制主要依赖气液相变而非尺寸排阻。当 NaCl 盐度增加时，膜通量下降，但截留率始终高于 99%。
- 蒸汽传输行为的分子动力学模拟：模拟结果表明，CB 分子提供的蒸汽传输通道增强了 TFC-PD 膜的通量。CB 分子的孔径与水分子相近，其内腔的对称性和疏水性减少了蒸汽分子与通道壁的摩擦碰撞，边缘的亲水性羰基有助于捕获水分子进入通道。计算显示 PDMS@CB 网络的自由体积分数（FFV）更高，水蒸汽分子在 PDMS@CB 网络中的扩散系数比在 PDMS 网络中高约 1.6 倍。
- TFC-PD 膜对中性带电溶质的截留：TFC-PD 膜的通量随压力和温度升高而增加，在 90°C 下仍能稳定运行。该膜对硼和尿素的截留率分别达到 98.2% 和 97%，显著优于 PDMS@CB 膜和商业 RO 膜。
- TFC-PD 膜的抗垢和抗氧化性能：TFC-PD 膜在 24 小时连续运行中脱盐性能稳定，超疏水性能保持良好。在模拟石膏溶液测试中，膜通量和盐截留率稳定，表面未出现石膏结晶迹象；在 2000ppm 次氯酸钠（NaClO）溶液中暴露 36 小时后，分离性能、WCA 和表面形态均无明显变化。
研究结论表明，该研究成功开发出具有受限蒸汽传输通道的超疏水 TFC 气隙膜，在 PD 过程中对非挥发性溶质实现了近乎完全的截留。气隙层赋予膜抗垢性和稳定的脱盐性能，即使在氯暴露后也能保持良好性能。分子动力学模拟进一步阐明了水蒸汽在受限通道内的传输机制。这项研究为制造坚固且大面积的超疏水膜提供了有效途径，代表了聚合物膜在超高脱盐能力开发和应用方面的显著进展，有望推动压力驱动蒸馏技术在淡水生产领域的广泛应用，为解决全球水资源短缺问题提供新的技术支持。
