用于可持续海水淡化应用的生物炭浸渍膜

《Results in Chemistry》：Biochar-impregnated membranes for sustainable water desalination applications

生物炭增强的聚砜混合基质膜在反渗透海水淡化中的应用研究。通过将 sugarcane bagasse 制备的生物炭掺入聚砜基质，制备了不同负载量的混合基质膜。实验表明，2%生物炭负载的膜在0.5%盐浓度、14 bar压力下，渗透通量达12 m3/m2/天，盐 rejection 提升至85%，较纯聚砜膜分别提升2.5倍和8%。生物炭通过表面含氧官能团改善膜亲水性，同时增强抗污性和热稳定性。

　　### 混合矩阵膜在海水淡化中的应用：生物炭对聚砜膜性能的增强作用

近年来，随着全球水资源短缺问题的加剧，海水淡化技术成为解决这一挑战的关键手段之一。传统的海水淡化方法如多级闪蒸和多效蒸馏虽然有效，但其高能耗和昂贵的运营成本限制了其广泛应用。相比之下，反渗透（Reverse Osmosis, RO）技术因其高效、节能和可扩展性，成为研究的热点。然而，RO膜在实际应用中仍面临诸多挑战，如生物污染（biofouling）、结垢（scaling）以及化学降解等问题，这些都会降低膜的效率和使用寿命。因此，研究者们不断探索新的材料和方法，以提高RO膜的性能并降低成本。

在此背景下，混合矩阵膜（Mixed Matrix Membranes, MMMs）作为一种新型膜材料，逐渐受到关注。MMMs通过将无机或矿物基填料引入聚合物基质中，能够显著改善膜的机械性能、热稳定性和化学耐受性。这一技术的优势在于，它可以在不牺牲膜性能的前提下，通过填料的协同作用提高膜的选择性和渗透性。生物炭作为一种来源于生物质的碳质材料，因其独特的物理化学性质，成为MMMs中一种极具潜力的填料。生物炭不仅具有高比表面积和大孔隙率，还含有多种含氧官能团，如羟基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（C=O）和醚键（C-O-C），这些官能团可以增强膜的亲水性，降低污染风险，并提高对有机和无机污染物的吸附能力。

本研究探讨了通过将生物炭引入聚砜（Polysulfone, PSF）基质中，合成具有更高性能的混合矩阵反渗透膜。实验中采用的生物炭来源于甘蔗渣，并通过煅烧法制备。实验结果表明，添加2%的生物炭填料能够显著改善膜的亲水性，提高渗透通量，并增强对盐分的截留能力。具体而言，2%生物炭填充的PSF膜在0.5%盐浓度和14 bar的进水侧压力下，表现出61°的接触角、85%的盐截留率和12 m3 m?2 day?1的渗透通量。这一结果表明，生物炭的引入可以有效提升膜的性能，同时保持较低的填料含量，从而降低成本并提高膜的经济可行性。

生物炭的引入不仅提高了膜的亲水性，还改善了膜的抗污染能力。亲水性增强意味着膜表面更容易与水分子相互作用，从而减少有机污染物和微生物在膜表面的沉积，降低生物污染的风险。此外，生物炭表面的负电荷特性可以增强膜对离子的排斥作用，通过Donnan效应提高盐分的截留率。这些特性使得生物炭成为一种理想的填料，能够在不显著影响膜结构和机械强度的前提下，提升膜的性能。

### 实验方法与过程

在实验过程中，首先通过煅烧法制备生物炭。甘蔗渣经过清洗、浸泡、干燥和粉碎后，在400°C的温度下进行煅烧，得到粒径在2-8 μm之间的生物炭粉末。随后，将生物炭与聚砜和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）混合，制备出不同填料含量的混合溶液。通过溶液浇铸和相转化法，将混合溶液浇铸在玻璃板上，形成膜结构。膜在室温下静置30分钟，使溶剂蒸发，之后浸入水中以去除多余的溶剂，并在30°C的烘箱中干燥三小时，最终获得具有均匀分布生物炭颗粒的混合矩阵膜。

为了评估膜的性能，实验采用死端过滤系统进行测试。测试条件包括不同的进水压力（6-14 bar）和盐浓度（5000-25,000 ppm）。通过测量渗透通量和盐截留率，评估膜的性能变化。渗透通量的计算基于渗透液体的体积、膜面积和渗透时间，而盐截留率则通过比较进水和渗透液中的盐浓度来计算。实验结果表明，随着进水压力的增加和盐浓度的降低，膜的渗透通量和盐截留率均有所提升。2%生物炭填充的膜在14 bar的进水压力下，表现出最高的渗透通量和盐截留率，显示出其在海水淡化中的优越性能。

### 实验结果与讨论

实验结果显示，生物炭的引入对膜的性能有显著影响。首先，通过激光衍射分析，确定了生物炭颗粒的尺寸分布。结果表明，生物炭颗粒主要分布在4-5 μm范围内，呈现出单峰分布，表明其粒径均匀，有利于在膜基质中均匀分散。这种均匀的颗粒分布有助于提高膜的亲水性和机械强度，从而改善其在海水淡化中的应用性能。

其次，通过接触角测量，评估了膜的亲水性变化。结果表明，纯PSF膜的接触角为74°，而添加2%生物炭的膜接触角降低至61°，显示出显著的亲水性提升。亲水性增强不仅有助于提高渗透通量，还能有效减少膜表面的污染，提高其抗污染能力。此外，生物炭表面的含氧官能团可以增强膜对盐分的截留能力，通过Donnan效应提高盐分的去除率。

通过光学显微镜分析，观察了生物炭在膜基质中的分布情况。结果显示，1%和2%生物炭填充的膜均表现出良好的颗粒分散性，没有明显的聚集现象。这种均匀的分布有助于提高膜的性能，包括渗透通量和盐截留率。此外，热重分析（TGA）结果显示，生物炭的引入提高了膜的热稳定性。纯PSF膜在47-215°C范围内发生脱溶剂过程，而在235-347°C范围内发生热降解。相比之下，生物炭填充的膜在更高温度下仍保持稳定，显示出其良好的热稳定性。

渗透通量和盐截留率的测试结果进一步验证了生物炭对膜性能的提升作用。在不同进水压力下，2%生物炭填充的膜表现出最高的渗透通量，达到11-12 m3 m?2 day?1，比纯PSF膜提高了约2.5倍。同时，盐截留率也显著提高，达到84-85%。这些结果表明，生物炭的引入能够有效提升膜的性能，使其在海水淡化中具有更高的效率和可靠性。

### 结论与展望

本研究通过将生物炭引入聚砜基质中，成功制备了具有优异性能的混合矩阵反渗透膜。实验结果表明，2%生物炭填充的膜在0.5%盐浓度和14 bar的进水压力下，表现出61°的接触角、85%的盐截留率和12 m3 m?2 day?1的渗透通量。这些性能的提升不仅源于生物炭的亲水性，还与其表面的含氧官能团和负电荷特性有关。生物炭的引入能够有效减少膜表面的污染，提高膜的抗污染能力，同时保持较高的盐截留率和渗透通量。

此外，生物炭作为一种可持续和低成本的材料，其在海水淡化中的应用具有广阔的前景。生物炭来源于可再生生物质，生产过程简单且环保，能够实现资源的高效利用和废弃物的再利用。这种材料的引入不仅符合循环经济的原则，还为海水淡化技术的可持续发展提供了新的思路。

未来的研究可以进一步探索不同生物炭来源和处理方法对膜性能的影响，以及如何优化填料含量和膜结构以获得最佳性能。此外，可以结合其他改性技术，如表面改性和纳米复合材料的引入，以进一步提升膜的性能。这些研究将有助于推动海水淡化技术的发展，提高其在实际应用中的可行性和经济性。