氟烷基化FeOOH调控PVDF膜形态的机制研究及其在膜蒸馏中的超疏水性能应用

针对膜蒸馏(MD)过程中膜润湿和污染问题，研究人员通过将全氟辛酸(PFOA)接枝到含羟基的FeOOH纳米棒上，制备了氟烷基化FeOOH(F-FeOOH)/PVDF混合基质膜(MMMs)。该膜通过羟基促进PVDF分子链结晶转变，氟烷基长链抑制纳米颗粒团聚，形成球形结构提升超疏水性（接触角>150°），MD通量达35.6 kg·m?2·h?1，盐截留率>99.98%，48小时抗污染实验显示持久稳定性，为高性能MD膜设计提供新策略。

　　

随着全球淡水短缺问题日益严峻，膜蒸馏(Membrane Distillation, MD)技术因其高盐截留率和低能耗特性成为研究热点。然而，传统MD膜在长期运行中易发生润湿(wetting)和污染(fouling)，导致通量衰减。这一问题的核心在于膜表面疏水性和内部结构的不足——现有改性方法如表面涂层易堵塞膜孔，而直接掺杂纳米颗粒又面临团聚风险。如何同步实现纳米颗粒分散性、膜形态调控和高效传质，成为突破MD技术瓶颈的关键。

天津工业大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究中，创新性地将全氟辛酸(Perfluorooctanoic Acid, PFOA)接枝到多孔羟基化FeOOH纳米棒上，制备出兼具羟基和氟烷基长链的F-FeOOH纳米材料。通过非溶剂致相分离(Non-solvent Induced Phase Separation, NIPS)技术将其与聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)复合，开发出具有超疏水表面的混合基质膜(Mixed Matrix Membranes, MMMs)。该研究首次揭示了氟烷基化纳米材料在调控PVDF结晶行为与膜孔结构中的双重作用机制。

研究采用酯化反应合成F-FeOOH，通过FTIR和XPS验证接枝效果；利用FESEM观察膜表面球形颗粒结构；通过接触角测试和MD性能评估验证功能提升。关键发现包括：1）F-FeOOH表面氟烷基长链（-CF₂-CF₃）有效抑制纳米颗粒团聚，使羟基均匀分布；2）羟基促进PVDF分子链从α晶型向β晶型转变，形成微纳级球形凸起，表面接触角达156.2°；3）F-FeOOH多孔通道为水蒸气提供额外传输路径，0.15 wt%添加量下通量提升至35.6 kg·m^?2·h^?1；4）膜基质内嵌入的氟烷基链协同增强整体疏水性，48小时抗污染实验中通量衰减率<5%。

材料合成与表征
通过6小时酯化反应使PFOA与FeOOH完全反应，FTIR在1720 cm^?1处出现酯基特征峰，XPS显示F1s峰强度提升3.8倍，证实氟烷基成功接枝。FESEM显示F-FeOOH保留纳米棒形貌，比表面积达218 m²/g。

膜形态调控机制
F-FeOOH表面羟基诱导PVDF分子链形成β晶型（DSC熔融峰172.3°C），氟烷基链抑制相分离过程中纳米棒聚集，使膜下表面形成均匀分布的1-3 μm球形颗粒，表面粗糙度(Ra)达1.24 μm。

MD性能验证
在3.5 wt% NaCl溶液中，改性膜呈现超疏水性（滑动角<5°），盐截留率稳定在99.99%。对比纯PVDF膜，通量提升58%且无润湿现象，归因于Cassie-Baxter态（气-液-固三相界面）的稳定维持。

该研究通过分子设计解决了纳米材料分散性-功能性难以兼顾的难题，提出的"氟烷基抗团聚+羟基促结晶"协同机制为高性能膜材料开发提供普适性策略。第一作者Longfei He和通讯作者Chunrui Wu强调，F-FeOOH/PVDF膜在海水淡化、高盐废水处理等领域具有应用潜力，其规模化制备工艺已通过国家重点研发计划(2023YFB3810504)支持开展。研究同时指出，未来需进一步探究纳米棒长径比对水蒸气传输的优化作用，以及长期运行中氟烷基链的化学稳定性。