《Journal of Water Process Engineering》：Fluorine-free bio-based hydrophobic membranes with tailored interfacial properties for sustainable bilgewater desalination via AGMD-based hybrid treatment system
编辑推荐：
•用于AGMD的全生物基无氟PLA/CTA-Cu-天冬氨酸MOF膜。•PLA/CTA共混物中的表面偏析赋予了膜表面疏水性。•Cu-天冬氨酸MOF提升了膜的均匀性、粗糙度和抗润湿性。•M4-1C膜在不使用氟化化合物的情况下实现了117°的接触角。•预处理-AGMD杂化系统实现了
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用于AGMD的全生物基无氟PLA/CTA-Cu-天冬氨酸MOF膜。
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PLA/CTA共混物中的表面偏析赋予了膜表面疏水性。
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Cu-天冬氨酸MOF提升了膜的均匀性、粗糙度和抗润湿性。
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M4-1C膜在不使用氟化化合物的情况下实现了117°的接触角。
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预处理-AGMD杂化系统实现了>99%的脱盐率和97%的除油率。
引言
海洋污染已成为全球最紧迫的环境挑战之一，由于工业、农业和海运污染物的持续排放，对海洋生物多样性、生态系统稳定性和水质构成了威胁[1], [2]。在各类海洋污染来源中，船舶上产生的舱底水是一种重要但常被忽视的水体污染贡献者[3]。舱底水在海船底部舱室中积累，是海水、润滑油、燃油残留物、表面活性剂、悬浮固体及其他有害污染物组成的复杂混合物。由于其高度可变和受污染的性质，未经处理或处理不充分的舱底水排放会严重影响水体，损害水生生物、降低溶解氧水平，并促进长期的生态退化[4]。随着全球海上活动的快速增长，对舱底水污染的担忧日益加剧，推动了更严格的环境法规出台，并增加了对高效可持续处理技术的需求，以减轻其对海洋和沿海生态系统的有害影响[5]。对舱底水进行脱盐处理具有众多环境优势，包括减少海洋污染、提高水可重复利用性以降低对淡水的需求，以及更好地保护水生生物。
热驱动膜分离技术作为传统高能耗分离工艺的可持续替代品，受到了广泛关注，尤其在水处理和脱盐领域[6], [7]。膜蒸馏（MD）因其能够处理复杂进料溶液、在相对较低压力下运行并回收废热（如船用发动机废热）而成为一项极具前景的技术[8], [9], [10]。在此过程中，疏水膜充当选择性屏障，阻止液态水和溶解盐通过，同时允许水蒸气透过膜孔。膜两侧的温差会产生蒸汽压梯度，驱动水蒸气从热的舱底水进料侧流向较冷的渗透液侧。溶解的盐分、重烃类和其他不挥发污染物被保留在进料中，因为它们难以进入或通过疏水膜孔传输。然而，目前的MD技术面临两大主要缺点：第一是极性盐类和有机物沉积在膜表面引起的润湿问题[11]；第二是为解决这一问题而依赖含氟聚合物来构建高度疏水表面[12]。含氟聚合物在环境中极其持久，生产期间及废弃处理后的排放具有毒性并可能致癌[13]。因此，开发无氟、环境友好的替代方案对环境可持续性至关重要。近期研究使用了聚乳酸、聚己内酯、壳聚糖和纤维素等环保材料以减少对含氟聚合物的依赖。例如，Zhao S.等人将聚乙烯亚胺与壳聚糖/儿茶酚交替双层沉积在PVDF表面层上以诱导抗污性能[14]。所制备的膜在60 °C进料温度下的通量达到5 L·m?2·h?1。在另一项研究中，将壳聚糖/ZIF-8涂覆于PVDF膜上，使蒸汽通量提升至7.2 L·m?2·h?1[15]。Ozbey-Unal B.等人将聚酰胺和纤维素纳米晶涂覆在PVDF膜上，所得膜表现出优异的除油和脱盐性能，并在70 °C进料温度下维持5.2 L·m?2·h?1的稳定通量[16]。根据这些研究，环保聚合物已被应用于MD领域，但由于所提出的天然聚合物无法诱导适用于高效MD运行的疏水表面，因此未可生物降解的含氟聚合物仍作为基膜材料被保留下来。因此，本工作旨在通过表面工程策略制备一种疏水性增强的全生物基膜。
将不同聚合物进行共混已被证明是开发定制材料的一种有效途径。共混聚合物基体的性能在很大程度上取决于其微观形貌，大多数共混物会表现出过度的微米级相分离，从而限制了其应用[17], [18]。因此，在亚微米级别实现相容性是非常理想的，因为共混物在表面、力学和热学性能上可以得到协同增强。在可用的生物基聚合物中，聚乳酸（PLA）和醋酸纤维素（CTA）因其易得性、低成本、高机械强度、平衡的稳定性/可降解性以及在共混中的相容性而被选定[19], [20]。此外，向聚合物共混物中添加合适的填料被认为能够提升表面和整体性能。基于氨基酸的金属-有机框架（MOFs）是一类由天然存在的有机配体合成的生物基MOFs，以其可调性能和独特形貌而著称[21]。在这一类别中，L-天冬氨酸是一种经济高效的α-氨基酸，主要来自甘蔗，含有两个羧基和一个氨基，可作为MOF合成的有效配位点[22]。此外，这些官能团能够促进与共混聚合物基体之间良好的界面相互作用，从而改善MOF的分散性、膜的结构性稳定性、表面粗糙度和选择性传质通道，进而提高渗透性和分离效率[23], [24]。
在本研究中，通过调节三种组分的共混比例，制备了一种具有优化表面性能的新型PLA/CTA-Cu-天冬氨酸MOF共混膜。优化后的膜在气隙膜蒸馏（AGMD）工艺中用于舱底水处理进行了测试。在AGMD运行之前采用了简单有效的预处理系统，以减少膜上的油负荷，这显著提高了膜的使用寿命。生物基材料的使用，加上温和条件下运行的杂化系统，增强了船舶上可持续污水脱盐的实际适用性。
章节摘要
试剂
聚乳酸（MW ~ 165,000 g·mol?1，D-型异构体含量 = 2%）由深圳市旭日工业有限公司提供。醋酸纤维素（MW ~ 74,000 g·mol?1，取代度 = 2.84）由MERCK公司提供。L-天冬氨酸（L-AA）购自Fisher Scientific公司。氯仿、甲醇、乙醇、盐酸、氢氧化钠、氯化钠、氯化铜二水合物和聚山梨酯20（Tween 20）表面活性剂均购自Sigma Aldrich公司。船用发动机油样品由
聚合物共混比例的优化
PLA和CTA的共混比例显著影响复合膜的特性。图2展示了PLA/CTA膜表面形貌随共混比例的变化情况。纯PLA表现出光滑致密的表面，无明显孔隙，与以往报道一致[26]。纯CTA膜同样呈现致密表面，但表现出嵌入的指状孔结构。这种形貌在醋酸纤维素膜中十分常见，其原因被归因于
结论
本研究开发并评价了一种全生物基PLA/CTA-Cu-天冬氨酸MOF复合膜，用于气隙膜蒸馏系统中的舱底水处理。结果表明，等比例的PLA:CTA共混物产生了部分互穿连续结构，通过表面偏析促进了表面疏水性。引入Cu-天冬氨酸MOF进一步增强了膜的均匀性，窄化了孔径分布，增加了表面粗糙度，并改善了抗润湿性。在所研究的
CRediT作者贡献声明
Amr E. Mansi：撰写—原稿，方法论，概念构想。Ahmed H. El-Shazly：撰写—审阅与编辑，监督指导。Mohamed I. Bassyouni：撰写—审阅与编辑，监督指导。Abdelrahman Zkria：撰写—审阅与编辑，监督指导。Marwa F. Elkady：撰写—审阅与编辑，监督指导，调查研究。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能对本研究报道工作产生影响的已知竞争性经济利益或个人关系。
Amr E. Mansi|Ahmed H. El-Shazly|Mohamed I. Bassyouni|Abdelrahman Zkria|Marwa F. Elkady
