射频等离子体接枝改性PVDF膜用于高盐废水膜蒸馏脱盐：表面特性与性能提升

为解决传统膜蒸馏(MD)用膜(PP、PVDF、PTFE)存在的热稳定性差、疏水性不足等问题，研究人员通过O2射频(RF)等离子体活化结合烷基硅烷(TEOS/OTS/DTS)接枝改性PVDF膜。改性膜水接触角(WCA)最高达144±6°，15% NaCl处理时渗透水电导率低至1.0±0.1 μS/cm，24小时运行稳定性优异。该研究为高盐废水处理提供了新型非氟化疏水膜材料。

　　

淡水资源短缺正成为全球性危机，而传统海水淡化技术如反渗透(RO)在处理高盐废水时面临膜污染和能耗高的瓶颈。膜蒸馏(MD)技术因其可利用低品位热源的优势备受关注，但其核心材料——疏水膜的性能制约着发展。目前商用膜中，聚丙烯(PP)耐热性差，聚四氟乙烯(PTFE)加工困难，而聚偏氟乙烯(PVDF)虽综合性能优异，但124±4°的水接触角(WCA)仍逊于PTFE的135°。更棘手的是，现有提升PVDF疏水性的全氟烷基改性剂存在环境风险。如何开发绿色高效的新型改性方案，成为突破高盐废水处理技术壁垒的关键。

这项发表在《Next Materials》的研究创新性地采用非氟化烷基硅烷（正硅酸乙酯TEOS、辛基三氯硅烷OTS、癸基三氯硅烷DTS）对PVDF膜进行表面接枝改性。研究团队首先通过O₂射频等离子体在95±2 W功率下活化膜表面5分钟，随后在70±5°C条件下进行1小时接枝反应。采用接触角测量仪、衰减全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDX)和原子力显微镜(AFM)等多维表征手段，系统评估了改性膜的性能。

表面特性分析显示，OTS和DTS接枝使膜表面粗糙度显著增加，25%浓度改性膜的WCA达144±6°，较原始PVDF膜提升16%。FTIR在2900-3000 cm^-1出现明显C-H振动峰，XPS检测到102.0±0.1 eV的C-Si-O-C特征峰，证实了硅烷的成功接枝。SEM显示改性膜表面形成纳米级突起结构，AFM测得10%DTS改性膜粗糙度达472±9 nm，符合Cassie-Baxter模型描述的疏水增强机制。

膜蒸馏性能测试结果更为亮眼。在15 wt% NaCl的高盐体系中，25%OTS改性膜展现出1.0±0.1 μS/cm的超低渗透水电导率，盐截留率接近100%，且24小时通量稳定在4.7±0.3 kg/m²·h。对比实验发现，虽然DTS因更长烷基链(10碳)带来更高粗糙度，但20%浓度时出现6.3±0.3 μS/cm的电导率波动，表明过长的烷基链可能导致表面结构不均。而TEOS改性膜因易形成亲水性SiO₂，在25%浓度时WCA反而降至98±3°。

该研究首次系统比较了不同碳链长度烷基硅烷对PVDF膜的改性效果，揭示了表面粗糙度与动态接触角（前进角/后退角）的协同作用规律。特别值得关注的是，OTS改性膜在保持高疏水性的同时，其23±4°的接触角滞后现象显著低于DTS改性膜的37±6°，这解释了前者更稳定的抗润湿性能。研究提出的非氟化改性策略不仅避免了全氟化合物的环境风险，更为设计新一代高盐废水处理膜材料提供了理论依据。

这项工作的现实意义在于，15 wt%盐度的测试条件已接近工业废水的典型浓度，而24小时的稳定运行数据则验证了技术的实用性。研究者特别指出，OTS改性膜在成本、性能和环保性上的平衡，使其在太阳能驱动膜蒸馏等可持续水处理领域具有明确的应用前景。该成果为应对全球水资源危机提供了新的材料解决方案，也为膜表面工程研究开辟了绿色化学的新思路。