《Water Research》：Graphene-regulated hydrogel distillation membranes with enhanced resistance to fouling, wetting, and scaling
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摘要在处理高盐度废水时，膜蒸馏技术的实际应用受到润湿、污染和结垢等问题的制约。本研究通过在疏水性的聚四氟乙烯基底上构建一层由石墨烯调控的致密水凝胶层，设计出一种Janus型膜（PTG-PTFE），以此同时应对这些挑战。石墨烯纳米片通过强烈的π-π相互作用和氢键作用，调控了聚乙烯醇
摘要
在处理高盐度废水时，膜蒸馏技术的实际应用受到润湿、污染和结垢等问题的制约。本研究通过在疏水性的聚四氟乙烯基底上构建一层由石墨烯调控的致密水凝胶层，设计出一种Janus型膜（PTG-PTFE），以此同时应对这些挑战。石墨烯纳米片通过强烈的π-π相互作用和氢键作用，调控了聚乙烯醇/单宁酸水凝胶的网络结构，形成了均匀且致密的水凝胶网络，经冷冻干燥后仍保持良好的结构。分子模拟进一步表明，石墨烯能够连接PVA和TA，提升网络的致密度和结构完整性。PTG-PTFE膜由于具有正的界面自由能和较低的相互作用能，使得CaSO?难以附着，从而展现出优异的抗结垢性能，同时其液体进入压力高达59.6 ± 2.3巴。因此，该膜在处理含有油类、表面活性剂和高浓度硫酸钙的复杂盐水时仍能保持99.9%的高盐分去除率，具有出色的脱盐稳定性。此外，该膜在长期处理实际高盐度废水时，如垃圾填埋场渗滤液和油田产出水，仍能保持稳定的通量及优异的整体盐分去除效果，显示出其在工业废水处理领域的巨大应用潜力。这项研究为设计具有多重抗性的高级膜蒸馏膜提供了新的思路和重要指导，有助于推动膜蒸馏技术在处理高盐度废水中的应用。
引言
全球淡水短缺问题日益严重（Jang等人，2023；M. Yang等人，2024）。膜蒸馏技术因其高盐分去除率、对高盐度废水的适应能力以及能够利用低品位热能等优点，成为生产淡水的一项极具前景的技术（Y. Dong等人，2025；Shi等人，2023）。这些优势使得膜蒸馏技术在处理高盐度废水和实现零液体排放方面具有显著应用价值（C. Dong等人，2025）。然而，尽管膜蒸馏技术在处理高盐度废水方面潜力巨大，但其实际应用仍受到膜润湿、污染和结垢等问题的严重限制（P. Zhang等人，2024）。有机污染物会改变膜表面的物理化学性质并堵塞膜孔，从而加速润湿过程；而无机物结垢不仅会因堵塞孔隙而阻碍蒸汽传输，还会通过晶体侵入促进孔隙润湿（Chang等人，2025；Ma等人，2024；Zhang等人，2021）。因此，开发一种能够同时抵抗润湿、污染和结垢的膜对于膜蒸馏技术的实际应用至关重要。
为了解决这些问题，人们致力于设计各种先进的膜蒸馏膜，包括超疏水表面、全疏水表面、分层结构膜以及具有不对称润湿性的Janus型膜（Byun等人，2024；Huang等人，2025；Zheng等人，2024）。这些方法主要是通过调整表面结构和润湿性来提升抗润湿性能、减少污染物附着以及控制结晶行为（Chen等人，2020；Zhang和Zhao，2023）。例如，分层微/纳米结构结合低表面能改性可以有效提升抗润湿性并部分抑制结垢现象（Chen等人，2023；Lei等人，2023；Xu等人，2021）。水凝胶层可以通过形成稳定的水合层来降低油类物质的附着，从而起到阻挡疏水污染物的作用（M. Yang等人，2024；N. Zhang等人，2024）。不过，这些方法仍存在一定的局限性。超疏水表面和全疏水表面通常对表面张力较低的污染物较为敏感（Yang等人，2023；Zhu等人，2025）。虽然致密的亲水层可以减轻结垢现象，但往往会导致蒸汽通量下降（P. Wang等人，2023）。更重要的是，现有的大多数方法只能解决润湿或结垢等单一问题，无法应对复杂高盐度环境下的润湿、污染和结垢协同问题。
近年来，基于石墨烯的材料因其在提升膜性能方面的作用而受到广泛关注（Sun等人，2023）。石墨烯表面原子级平滑且化学性质均匀，能够有效减少污染物附着，同时降低矿物结垢的异质成核几率（Zuo等人，2022）。此外，石墨烯还可以通过与芳香族聚合物的π–π相互作用，成为聚合物水凝胶体系中的桥梁成分，参与超分子水凝胶网络的构建（Dai等人，2024；Zhu等人，2024）。因此，石墨烯并非仅仅是一种用于增加涂层密度的被动纳米填料，它实际上是一种具有反应性的网络构建成分，能够连接聚合物链，重新整理分子间相互作用，进而调节水凝胶的内部结构及界面化学性质（He等人，2019；Liu等人，2024）。不过，现有的Janus型膜或水凝胶涂覆膜蒸馏膜大多是通过增加亲水涂层的厚度或引入多层功能层来抵御污染、润湿和结垢，而这往往会影响蒸汽的传输效率（P. Wang等人，2023）。在这些体系中，亲水层通常被视为一种被动的保护涂层，而内部水凝胶网络结构在调节表面活性剂传输、油类附着以及石膏成核方面的作用尚不完全清楚。因此，开发一种具有良好水合状态的网络结构及界面调控机制的水凝胶界面，对于在不影响蒸汽传输的前提下实现同时抗润湿、抗污染和抗结垢的性能具有重要意义。
在本研究中，我们设计了一种由石墨烯调控的水凝胶Janus型膜（PTG-PTFE），旨在同时解决高盐度废水处理中面临的污染、润湿和结垢问题。与传统的致密亲水涂层或多层Janus结构不同，我们将石墨烯作为一种主动的网络构建成分引入到聚乙烯醇/单宁酸水凝胶中。石墨烯通过与单宁酸的π–π相互作用以及在PVA/TA基质中的桥接作用，参与了水凝胶网络的构建，使得原本松散且不均匀的PVA/TA水凝胶转变为致密、均匀且高度水合的结构。这种由石墨烯介导的界面重构使得膜的液体进入压力显著升高，同时改变了石膏与膜界面的自由能，使其从负值变为正值，从而使石膏难以附着在膜上。因此，PTG-PTFE膜能够在复杂高盐度废水和实际废水处理中，同时具备抗润湿、抗污染和抗结垢性能，并保持稳定的蒸汽传输效率和长期的脱盐性能。本研究为设计适用于高盐度废水处理的优质膜蒸馏膜提供了实用方案。
章节摘录
PTG-PTFE水凝胶膜的制备
首先，为了增强亲水水凝胶涂层与疏水性PTFE基底之间的粘附力，我们按照之前研究中的方法，在PTFE基底表面制备了一层亲水的聚多巴胺/聚乙烯亚胺中间层（J. Zhang等人，2024）。根据之前的研究，这层PDA/PEI层主要起到增强粘附的作用，而
石墨烯调控水凝胶膜的制备与表面形态
如图1a所示，我们设计了一种双层Janus型膜，其顶层为石墨烯调控的水凝胶层，底层为疏水的聚合物多孔PTFE基底。扫描电子显微镜分析和傅里叶变换红外光谱分析表明，石墨烯保持了几乎完整的sp2碳框架，呈现出二维纳米片状结构（图S5）。这些特性使得石墨烯能够与单宁酸发生π–π相互作用，从而在
结论
在本研究中，我们通过在疏水性PTFE基底上构建石墨烯调控的水凝胶层，成功制备出一种致密且均匀的水凝胶膜蒸馏膜（PTG-PTFE）。该膜在处理含有过饱和石膏、矿物油和表面活性剂的废水时，表现出优异的抗结垢、抗污染和抗润湿性能。其出色的抗污染和抗润湿性能得益于其超疏水表面（153.5 ± 2.1°）以及极高的液体进入压力
作者贡献说明
Xiaohui Zhu：概念构思、正式分析、实验研究、方法设计、结果可视化、初稿撰写以及论文修改。Shideng Yuan：软件应用、结果验证。Jiaojiao Zhang：实验研究、论文修改。Huan Liu：论文修改。Yibing Wang：实验研究。Fangxi Wei：实验研究。Zhining Wang：实验研究、项目管理、资金筹集以及论文修改。
CRediT作者贡献说明
Xiaohui Zhu：论文修改、初稿撰写、结果可视化、方法设计、实验研究、正式分析、概念构思。Shideng Yuan：结果验证、软件应用。Jiaojiao Zhang：论文修改、实验研究。Huan Liu：论文修改。Yibing Wang：实验研究。Fangxi Wei：实验研究。Zhining Wang：论文修改、项目管理、实验研究以及资金筹集。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（U23A20116和224B2805）、山东省自然科学基金（ZR2024QB118）、山东省创新驱动发展联合基金（ZR2024LFG003）、山东省泰山学者基金（tsqn20240802）以及微生物技术国家重点实验室内部联合项目基金（SKLMTIJP-2024-04）的支持。
我们还要感谢核心设施处的Sen Wang
Xiaohui Zhu|Shideng Yuan|Jiaojiao Zhang|Huan Liu|Yibing Wang|Fangxi Wei|Zhining Wang
中国山东省青岛市266237，山东大学环境科学与工程学院，复杂多介质污染协同控制山东省重点实验室
