一种新型浮动式加湿-除湿-海水淡化系统的评估：该系统结合了空气喷射技术和浸入式除湿器

《Desalination》：Assessment of a novel floating humidification-dehumidification desalination system utilizing an air sparging and submerged dehumidifier

本研究采用高精度3D打印技术制备具有理想直通微孔的支撑层，结合电纺纳米纤维层和界面聚合（IP）工艺，成功开发出高渗透性（>22.5 L·m?2·h?1·bar?1）且抗污染性能优异（Na?SO?脱除率97.8%）的复合纳滤膜。该技术通过优化支撑层结构减少渗透阻力，并维持热处理过程中的结构稳定性，为下一代功能膜材开发提供了创新且可扩展的解决方案。

　　纳米过滤（NF）膜技术以其高分离性能和能效优势，在海水淡化和废水处理等领域得到了广泛应用。本研究通过高精度的3D打印技术，制造出具有理想直通微孔结构的坚固支撑层，有效降低了渗透阻力。为了确保高质量的聚酰胺（PA）选择层的形成，静电纺丝技术用于在支撑层表面沉积一层薄的纳米纤维层，从而将支撑层表面划分为精细的网格结构。最终，通过界面聚合（IP）反应在膜基材上形成PA选择层，该基材由3D打印的支撑层和纳米纤维层共同构成，制备出一种具有高渗透性的复合NF膜。与传统NF膜相比，这种新型3D打印复合NF膜在热处理后仍能保持长期水通量超过22.5 L m?2 h?1 bar?1，约为市售NF270膜的两倍。同时，该膜表现出97.8%的Na?SO?截留率和优异的抗污染性能。本研究展示了一种利用高精度3D打印技术制造高性能NF膜的可行方法，为下一代功能性膜的开发提供了一种创新且可扩展的策略。

随着气候变化对水环境的影响日益加剧，加之人类活动导致的水资源污染不断恶化，水资源短缺已成为制约可持续经济发展和威胁生态安全以及人类健康的关键问题。近年来，新兴的膜技术展现出在非传统水源中高效分离目标物质的能力，主要依赖于基本的物理筛分机制。膜技术具有紧凑的设备、简便的操作、可扩展性和高效的分离性能，使其成为应对水资源短缺和污染的重要策略。在基于膜的处理过程中，高精度的纳米过滤（NF）技术能够有效分离水中的多价离子、重金属离子和可溶性有机物，并在废水回用、有机物去除以及海水/咸水淡化等领域得到了广泛应用。

目前，市售的NF膜，如薄膜复合（TFC）膜，通常是通过界面聚合（IP）技术在聚醚砜（PES）基材上形成聚酰胺（PA）选择层。例如，Dow、BASF等公司已采用热固化技术，在NF膜制造过程中去除基材与PA选择层之间的微小液滴，并促进PA选择层的完全交联，从而提高膜的密度和结构稳定性。然而，传统NF膜基材的制备依赖于传统的相分离方法，其微结构包含大量非直通孔结构，导致水分子渗透阻力相对较高。经过热固化处理后，基材的渗透阻力显著增加，主要是由于支撑层中的孔道塌陷或完全堵塞。研究表明，基材渗透阻力占NF膜总渗透阻力的31.6%至75.1%，显著降低了膜的渗透性，并阻碍了NF过程能效的进一步提升。

为了解决这一问题，科研人员广泛开展了多种策略，以降低基材渗透阻力，从而提高NF膜的渗透性。其中，将纳米填料引入膜基材是一种直接有效的方法，可以增强基材的孔隙率和亲水性，进而提高NF膜的渗透性。例如，将咪唑修饰的羧基化石墨烯氧化物混合到基材中，可以显著提高NF膜的渗透性，使水通量从6.4 L m?2 h?1 bar?1提升至11.6 L m?2 h?1 bar?1。另一种广泛研究的策略是优化溶液组成和凝固浴温度，以在基材中形成低渗透阻力的孔隙结构。例如，通过在80°C的去离子水中进行相分离，使用聚乙二醇与PES材料混合的 dope 溶液，制备出具有最佳指状和海绵状孔隙比例的基材。利用这些基材制备的NF膜显示出更高的水渗透性（13.0 L m?2 h?1 bar?1）和出色的压实抗性。然而，这些策略仅能提升基材的亲水性和有效孔隙率，而无法从根本上解决热固化过程中由于孔道塌陷导致的渗透阻力增加问题。因此，基于相分离基材的NF膜在工业应用中仍存在渗透性不足的问题。因此，迫切需要通过创新的结构设计，工程化新一代的基材，以进一步提升NF过程的分离效率和能效。

作为一种新兴的增材制造技术，3D打印因其能够构建传统相分离方法难以实现的复杂微结构而受到越来越多的关注。3D打印在工程化图案化膜表面方面的应用已被证明是增强膜抗污染能力的有效策略。例如，Chen等人通过3D打印技术制造了具有波纹内表面的管状陶瓷膜，并系统评估了其抗污染性能。他们发现，这些膜由于波纹图案结构在膜表面引发的流体湍流而表现出优异的抗污染性能。Al-Shimmery等人则通过将PES分离层结合在3D打印的波浪状支撑层上，制造出具有图案化表面的复合膜。类似地，这些膜在五次污染循环后仍能保持较高的渗透性，归功于波浪状表面结构所带来的水力优势。然而，尽管在膜表面图案化方面取得了显著进展，但对孔隙结构的定制化潜力仍远未被充分探索。据我们所知，目前还没有研究报道利用3D打印技术对新型NF膜的构建进行精确的孔隙结构工程。此外，许多先进的策略已被开发用于提高NF膜的渗透性，包括在基材上构建中间层、在PA层中引入纳米材料以及通过自由IP技术制造自支撑膜。尽管这些策略提高了膜的性能，但纳米材料的引入以及对IP过程的精确控制使得膜的制造过程变得更加复杂和昂贵。相比之下，高精度的3D打印技术凭借其高效构建复杂结构和高材料利用率的优势，为高性能NF膜的集成制造提供了一种更简单、更经济的解决方案。

本研究采用先进的高精度3D打印技术，制造出具有理想直通微孔结构的坚固支撑层，有效降低了渗透阻力。随后，通过静电纺丝技术沉积一层薄的纳米纤维层，以创建精细的网格分割，进一步确保高质量PA选择层的形成。最后，通过界面聚合反应，在3D打印的支撑层与纳米纤维层结合的膜基材上形成PA选择层，从而构建出一种具有高渗透性的复合NF膜。这种新型膜基材不仅为水分子通过PA选择层提供了畅通的通道，还能够在热环境中保持结构完整性，防止因孔道收缩导致的渗透阻力上升。为了对比，我们还制备了一种传统的NF膜，利用相分离法制备的PES基材来研究热固化过程中基材渗透阻力对水通量的影响。结果显示，新型3D打印复合NF膜表现出极低的渗透阻力和出色的水渗透性，同时保持了较高的Na?SO?截留率。本研究展示了3D打印技术在制备高性能NF膜方面的潜力，并为下一代功能性膜的设计和构建提供了一种创新且可扩展的策略。

在本研究中，我们采用先进的高精度3D打印技术，制造出具有理想直通微孔结构的支撑层，这种结构不仅提高了膜的渗透性，还增强了其在热处理过程中的稳定性。支撑层的直通微孔结构使得水分子能够更顺畅地通过，而不会受到较大的阻力。这种设计显著优于传统相分离基材的结构，后者由于孔道的非直通性和热处理后的塌陷，导致水分子渗透阻力较高。通过3D打印技术，我们能够精确控制支撑层的孔隙结构，使其在热处理过程中保持稳定，从而避免因孔道收缩导致的渗透性下降。这一技术优势使得3D打印复合NF膜在长期运行中能够保持较高的水通量，而传统NF膜则可能因基材渗透阻力的增加而性能下降。

静电纺丝技术被用于在支撑层表面沉积一层薄的纳米纤维层，该层能够将支撑层表面划分为更精细的网格结构。这种网格结构不仅提高了膜的选择性，还增强了其抗污染能力。纳米纤维层的引入使得水分子在通过PA选择层时受到更少的阻力，从而提高了膜的整体渗透性。同时，纳米纤维层的结构能够有效防止污染物在膜表面的沉积，从而延长膜的使用寿命。这一策略与传统方法相比，具有更高的效率和更好的控制性，能够实现更精确的膜结构设计。

界面聚合（IP）反应在3D打印支撑层和静电纺丝纳米纤维层结合的基材上形成PA选择层。这一过程的关键在于确保PA选择层的均匀性和完整性，使其能够有效截留目标物质，同时保持较高的渗透性。通过精确控制IP反应的条件，我们能够形成高质量的PA选择层，从而提高膜的整体性能。与传统方法相比，这种新型的膜结构不仅提高了水通量，还增强了膜的抗污染能力和热稳定性。

在实验过程中，我们对新型3D打印复合NF膜的性能进行了系统的评估。测试结果表明，该膜在热处理后仍能保持较高的水通量，约为市售NF270膜的两倍。同时，该膜在Na?SO?的截留率高达97.8%，表现出优异的分离性能。此外，该膜在多次污染循环后仍能保持较高的渗透性，说明其具有出色的抗污染能力。这些性能的提升使得该膜在工业应用中具有更大的潜力，尤其是在需要高效分离和长期稳定运行的场景中。

本研究的创新点在于将3D打印技术与静电纺丝技术相结合，形成了一种新型的复合膜结构。这种结构不仅能够有效降低渗透阻力，还能提高膜的机械强度和热稳定性，从而实现更高效的NF过程。通过精确控制支撑层和选择层的结构，我们能够实现更优的膜性能，包括更高的水通量和更好的分离效率。这种集成制造方法为高性能NF膜的开发提供了一种新的思路，使得膜的结构设计更加灵活和可控。

此外，本研究还探讨了3D打印技术在膜结构工程中的应用前景。通过3D打印技术，我们能够构建复杂的微结构，而这些结构在传统方法中难以实现。这种技术优势使得我们能够根据实际需求定制膜的结构，从而优化其性能。例如，通过调整支撑层的孔隙结构，可以实现更高的渗透性；通过优化选择层的厚度和均匀性，可以提高膜的分离效率。这种高度可定制化的特性使得3D打印技术在膜制造中具有广泛的应用潜力。

在实际应用中，新型3D打印复合NF膜可以用于海水淡化、废水处理和有机物去除等领域。其高渗透性和优异的分离性能使其能够高效处理各种水源，满足不同场景下的需求。同时，该膜的抗污染性能也使其在长期运行中能够保持较高的效率，减少维护成本。这些优势使得该膜在工业应用中具有更高的可行性。

本研究还验证了新型3D打印复合NF膜的化学特性。通过傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析，我们确认了支撑层和选择层中主要功能基团的存在。这些功能基团的存在使得膜能够有效分离目标物质，同时保持较高的渗透性。此外，我们还对膜的表面形貌进行了分析，发现其具有高度规则的直通微孔结构，这进一步验证了膜的优异性能。

综上所述，本研究通过高精度的3D打印技术，成功制备出一种高性能的复合NF膜。该膜不仅在渗透性方面优于传统NF膜，还在分离效率和抗污染能力方面表现出色。其独特的结构设计使得膜能够在热处理过程中保持稳定，从而避免因孔道收缩导致的渗透性下降。这种新型膜的开发为下一代功能性膜的设计和制造提供了一种创新且可扩展的策略，具有重要的应用价值。