CNM/PAC改性PVDF纳米复合膜在真空膜蒸馏脱盐中的长期运行性能与抗菌特性研究

本研究针对真空膜蒸馏(VMD)过程中膜润湿和结垢问题，创新性地采用碳纳米材料/粉末活性炭(CNM/PAC)改性聚偏氟乙烯(PVDF)膜，并通过1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(PFTES)化学修饰提升性能。研究发现改性膜在96小时连续运行中保持99.9%的脱盐率，渗透通量仅下降4.5%，同时展现对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的显著抗菌活性。该研究为延长膜寿命、降低维护成本提供了新策略，对工业化海水淡化应用具有重要价值。

　　

随着全球淡水资源的日益紧缺，膜蒸馏(MD)技术因其能利用低品位热源处理高盐度水而备受关注。然而，这项技术在长期运行中面临严峻挑战——膜润湿和结垢现象会导致性能急剧下降。特别是在真空膜蒸馏(VMD)过程中，真空吸力可能加剧膜孔内的盐分沉积，而传统聚偏氟乙烯(PVDF)膜的疏水性不足更易引发这些问题。更棘手的是，微生物在膜表面的定植会形成生物膜，进一步加速膜性能衰减。这些瓶颈严重制约着膜蒸馏技术的工业化应用。

为突破这些限制，研究人员开展了一项创新性研究，成果发表在《Desalination and Water Treatment》上。该团队设计了一种新型纳米复合膜：首先将碳纳米材料/粉末活性炭(CNM/PAC)嵌入PVDF基质，再通过1H,1H,2H,2H-全氟癸基硅烷(PFTES)进行化学修饰。这种双重改性策略旨在同步提升膜的疏水性、抗结垢性和抗菌性能。

研究采用了多项关键技术：通过相转化法制备平板膜，采用浸渍涂覆法进行PFTES修饰；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析化学结构；通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察表面形貌；采用接触角测量评估疏水性；建立VMD实验系统（65°C进料温度，21 kPa真空压）进行96小时长期性能测试；参照Kirby-Bauer法对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)进行抗菌评价。

在膜特性方面，研究得出重要发现：CNM/PAC的加入使膜孔隙率从48.7%提升至81.2%，接触角从70°增至74°；经PFTES修饰后，接触角跃升至124°，达到超疏水标准。长期运行后，改性膜仅出现16.9%的疏水性下降，远低于未改性膜的32.8%。XRD分析证实，PFTES修饰显著减少了NaCl在膜表面的沉积，这归因于其自清洁特性。

性能测试结果更令人振奋：PFTES修饰膜的初始通量达16.617 L/m²·h，96小时后仅下降4.5%，而纯PVDF膜通量衰减达39%。所有膜脱盐率均保持在99.9%以上，但改性膜表现出更稳定的 rejection 曲线。FE-SEM显示，纯PVDF膜内部出现盐结晶渗透，而改性膜保持完整结构，证实其抗润湿能力。

抗菌测试展现了额外优势：PFTES修饰膜对S. aureus和E. coli的抑菌圈直径分别达8 mm和9 mm，显著优于未改性膜。SEM图像清晰显示，改性膜表面细菌附着明显减少，这与其表面拓扑结构和化学组成密切相关。

这项研究实现了多重突破：首先，通过CNM/PAC与PFTES的协同作用，创造了兼具高疏水性和抗菌性的复合膜；其次，揭示了长期运行中膜性能衰减的主要机制是NaCl沉积而非材料本身退化；最重要的是，证明了疏水性恢复的可能性——通过清除污染物即可恢复膜性能，这为降低维护成本提供了理论依据。

这些发现对推动膜蒸馏技术工业化具有深远意义：改性膜优异的长期稳定性可显著延长更换周期；抗生物污染特性减少了化学清洗频率；而简单的再生方式则大幅降低了运营成本。该研究不仅为高性能膜材料设计提供了新思路，更为解决全球水资源短缺问题提供了切实可行的技术方案。未来，进一步优化改性工艺和扩大生产规模，将加速这项技术从实验室走向实际应用。