《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Scaled-up graphene oxide membranes: improved membrane distillation performance and antifouling properties
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膜蒸馏（MD）是一种极具前景的海水淡化技术，但其商业化应用仍受到高热能消耗和膜污染的限制。本研究首次在中试规模下制备并评估了具有高热效率的氧化石墨烯（GO）功能化膜。涂有聚多巴胺（PDA）并喷涂有GO的聚偏氟乙烯（PVDF）膜在气隙式和真空辅助气隙式膜蒸馏（A
膜蒸馏（MD）是一种极具前景的海水淡化技术，但其商业化应用仍受到高热能消耗和膜污染的限制。本研究首次在中试规模下制备并评估了具有高热效率的氧化石墨烯（GO）功能化膜。涂有聚多巴胺（PDA）并喷涂有GO的聚偏氟乙烯（PVDF）膜在气隙式和真空辅助气隙式膜蒸馏（AGMD和V-AGMD）系统中进行了测试，产水量高达1.5 L h-1。通过使用合成海水、卤水、含污染物进水以及真实海水，从渗透通量、脱盐率、抗污行为和热效率方面对膜性能进行了评估。与原始PVDF膜的20小时相比，GO-PDA/PVDF膜在超过72小时内抵御了污染引起的孔道润湿。GO涂层使污染率从PDA/PVDF对照膜的0.24%/h降至0.07%/h，并在75 °C用去离子水冲洗30分钟后实现了完全通量恢复（FRR = 100%），表明污染具有完全可逆性。相比之下，PDA/PVDF膜表现的FRR为87%。使用真实海水的实验也证明了其稳定运行，且渗透通量相比对照膜高出25%。GO功能化膜还表现出提升的热学性能，热效率最高提升40%，AGMD和V-AGMD的特定热能消耗（STEC）分别降低了16.7%和9.8%。这些发现证明了可扩展GO涂层在改善MD海水淡化系统运行和能量性能方面的潜力。
膜蒸馏作为一种适用于处理高盐浓度和含有机污染物等难处理进水的替代海水淡化技术，近年来备受关注。与反渗透（RO）等传统技术相比，其能耗在理论上对进水浓度的依赖性较低。然而，膜污染和高能耗问题严重限制了膜蒸馏技术的商业化进程。目前，技术成熟度评估表明，规模放大性能验证和能量效率优化是阻碍其部署的关键壁垒。虽然利用氧化石墨烯（GO）等纳米材料对膜聚合物表面进行功能化已被证明能降低污染倾向并防止孔道润湿，但这些研究大多局限于实验室小规模膜面积（多为4-12 cm2）和短期实验。此外，GO涂层对膜热效率及相关关键能耗指标（如特定热能消耗STEC和产水比GOR）的潜在影响尚不明确。为了填补中试规模GO膜在MD应用中抗污性、能量性能及规模化可行性等知识空白，研究人员开展了这项研究。该研究成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。研究结果表明，GO功能化膜在中试规模下展现出优异的抗污性和热效率，并可通过无化学试剂清洗实现通量完全恢复，显著降低了膜蒸馏的运行能耗与环境污染潜力，为GO基膜在水处理领域的工业化应用奠定了重要基础。
研究人员采用喷涂法在聚偏氟乙烯（PVDF）膜上构建了聚多巴胺（PDA）/GO复合涂层，制备了有效面积达375 cm2的中试规模GO-PDA/PVDF膜，并利用内置于长1.4 m中试装置中的气隙式膜蒸馏（AGMD）和真空辅助气隙式膜蒸馏（V-AGMD）系统进行测试。样本队列包括合成海水、卤水、含腐殖酸和石蜡油的模拟废水，以及从西班牙阿尔梅里亚海岸约1米深处采集的真实海水。
GO膜表征
通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对膜的形貌与粗糙度进行表征后发现，GO涂层具有约2.2 μm的横向尺寸和1.5 nm的厚度，其显著降低了膜表面粗糙度（从303 nm降至87.4 nm）。尽管GO涂层使膜的水接触角降至90°以下，但由于GO层叠的纳米毛细效应，其液体进入压力（LEP）反而有所提升，从而增强了对孔道润湿的抵抗力。该制备方法成功将膜面积从实验室规模放大至375 cm2，证明了喷涂技术的可扩展性。
污染调查
在为期72小时的污染实验中，原始PVDF膜在15小时因严重污染导致进水突破孔道发生润湿，脱盐率急剧下降。PDA/PVDF对照膜能抵抗孔道润湿，通量线性下降速率为0.24%/h。而GO-PDA/PVDF膜通量下降率仅为0.07%/h，抗污性能提升超三倍。75 °C热去离子水原位清洗30分钟后，GO-PDA/PVDF膜实现了100%的通量恢复率（FRR），表明其污染完全可逆；而PDA/PVDF膜的FRR仅为87%。SEM和AFM图像表明，GO涂层屏蔽了膜孔，将污染物限制在更光滑的表面，避免了不可逆的内部孔道污染。
真实海水调查
在50小时的真实海水测试中，GO-PDA/PVDF膜保持稳定的脱盐率，无污染引起的通量下降现象，且其渗透通量较原始Duraverse PVDF膜高出25%。
热能评估
在AGMD和V-AGMD配置下进行的能量评估表明，GO涂层有效缓解了温度极化现象，GO-PDA/PVDF膜的渗透通量更高。由于GO的高平面热导率均匀分布热量且PDA的低热导率减少了跨膜热损失，其膜热效率（η）分别高达96%和94%（对照组为57%和68%）。在35 g/L NaCl进水下，GO膜的STEC分别降低16.8%和9.76%，GOR分别提升7.3%和10.5%。
技术经济评估
初步评估显示，GO-PDA功能化增加的膜制造成本约为32.8 �/m2，其中聚多巴胺占主要成本。但该附加成本仅占系统总生命周期成本的0.31%，而热能消耗仍是主要运营支出。因此，GO功能化带来的能耗降低完全抵消了初期制造成本的增加。
商业膜比较
在与Aquastill LDPE和Clarcor PTFE商业膜的对比中，GO-PDA/PVDF虽较原始PVDF有显著优势，但Aquastill LDPE膜由于其更高的孔隙率（85%）和更薄厚度展现出最低的STEC。这表明膜支撑层的材料类型和结构对能量性能有决定性影响。
研究讨论与文献对比表明，这是首次在中试规模GO膜研究中同时量化抗污可逆性、通量衰减与热效率指标。尽管大规模操作导致的流体动力学改变使GO膜的通量衰减率略高于实验室规模，但其无需化学清洗即可100%恢复通量的特性极具工业竞争力。
研究结论部分指出，研究人员首次在中试规模下评估了GO功能化PVDF膜在膜蒸馏脱盐中的表现。GO-PDA/PVDF膜展现出增强的抗污性，通量衰减率仅为0.07%/h。GO涂层使得仅用去离子水即可实现完全无化学清洗，彻底恢复初始渗透通量。使用真实海水的实验实现了50小时稳定运行且通量提高25%。热学分析显示该膜在AGMD和V-AGMD中均具更高热效率。未来研究应探索在Aquastill LDPE等不同商业膜上沉积GO-PDA涂层，并测试更广的进水盐度范围及长期稳定性，同时可利用同步辐射X射线微断层扫描进一步探究污染物附着机制。
