碳黑诱导氟化构建抗润湿膜蒸馏膜用于垃圾渗滤液高效处理

为解决膜蒸馏(MD)中膜润湿和污染问题，研究人员通过碳黑(BC)诱导氟化策略，开发了具有超低表面能(2.03 mN/m)的聚偏氟乙烯(PVDF)膜(FDTS-BC@PVDF)。该膜在5.5 wt.% NaCl和高有机物污染条件下保持>7 L/m2·h通量和近100%截留率，72小时垃圾渗滤液处理中通量稳定>6 L/m2·h，为高盐复杂废水处理提供新方案。

　　

垃圾渗滤液处理是全球性难题，这种含有高浓度盐分、氨氮和有机污染物的复杂废水，传统生物处理法因重金属毒性效率低下，化学法又易造成二次污染。膜蒸馏(MD)技术虽能克服渗透压限制处理高盐废水，但膜润湿和污染问题导致商业膜在渗滤液处理中往往几小时内失效。当表面活性剂等有机物吸附在膜孔内，液态水会突破气液界面进入膜孔，使MD过程退化为普通渗透，这种现象被研究者称为"膜润湿灾难"。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Water Research》发表创新成果。他们采用碳黑(BC)纳米颗粒作为"分子锚"，通过真空过滤将其沉积在PVDF膜表面，再嫁接1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷(FDTS)，构建出具有超低表面能的FDTS-BC@PVDF复合膜。研究通过SEM、ATR-FTIR、XPS等技术表征膜结构，采用液-液孔隙仪测定孔径分布，并通过自制MD系统评估处理性能，最后用真实垃圾渗滤液验证长期稳定性。

【3.1 膜表征】
SEM显示原始PVDF膜孔径0.69 μm，BC沉积后形成松散结构，FDTS改性使BC颗粒凝聚，孔径缩小至0.41 μm。XPS在290.6和292.7eV处发现-CF₂/-CF₃特征峰，ATR-FTIR检测到1240 cm^-1(CF₃)和1143 cm^-1(CF₂)振动峰，证实氟化成功。改性膜水接触角达144°，表面能降至2.03 mN/m，水蒸气渗透率反升21%至6.05×10^-6 m³/m²·Pa·s。

【3.2 抗润湿和抗污染性能】
在5.5 wt.% NaCl的MD测试中，原始PVDF膜通量下降80%，而FDTS-BC@PVDF膜稳定保持7 L/m²·h。当处理含0.1 wt.%石油污染盐水时，原始膜因润湿出现负通量(-62.8 L/m²·h)，改性膜仍维持3.6 L/m²·h正通量。SEM显示污染后改性膜表面污染物可被水冲洗掉，表面能仅升至4.24 mN/m，而原始膜升至48.19 mN/m。

【3.3 垃圾渗滤液处理性能】
72小时连续运行中，FDTS-BC@PVDF膜通量始终>6 L/m²·h，渗透液COD仅58 mg/L，氨氮截留率达96%。对比原始PVDF膜3小时内失效，改性膜表面形成的BC-FDTS杂化层通过机械锚定和化学疏水双重作用，有效阻挡污染物-膜相互作用。ATR-FTIR显示污染膜表面存在-OH/-NH等特征峰，但清洗后接触角仍>133°，证明空气屏障稳定性。

该研究突破传统MD膜在高盐有机废水处理中的局限性，提出的碳黑诱导氟化策略具有三大创新点：一是BC纳米颗粒作为FDTS嫁接的"脚手架"，二是形成的Si-O-Si网络增强结构稳定性，三是-CF₃/-CF₂基团协同降低表面能。这种膜在保持小分子水蒸气通过的同时，有效阻隔离子和有机物传输，为垃圾渗滤液、油气田废水等复杂体系处理提供工业化解决方案。研究揭示的"空气屏障强化"机制，为抗润湿膜设计提供普适性指导原则。