具有超亲水水凝胶涂层的双面异质PTFE纳米纤维膜的制备及其在稳健膜蒸馏中的应用

《Journal of Water Process Engineering》：Fabrication of Janus PTFE nanofibrous membrane with superhydrophilic hydrogel coating for robust membrane distillation

　　

• •
  在电纺PTFE上通过离子交联钙藻酸水凝胶层，构建了Janus膜。
• •
  引入PVDF中间层以提高界面黏附力。
• •
  致密水凝胶层提供了水化屏障和分子筛分功能。
• •
  与原生PTFE相比，该Janus膜表现出更优异的抗润湿、抗污染和抗结垢性能。

引言

膜蒸馏（MD）作为一种热驱动的膜分离技术，在高盐废水处理和海水淡化领域具有独特优势。其对非挥发性溶质的高截留率以及与低品位热能的良好兼容性，使其在浓废水处理中极具吸引力[1]、[2]。然而，膜润湿、有机物污染和矿物结垢仍是长期运行的主要障碍[3]、[4]、[5]。表面活性剂和乳化油可降低进料表面张力并促进孔润湿，而盐分的逐渐浓缩则可能导致晶体沉积、孔堵塞和通量下降。因此，稳健的MD膜应在复杂进料条件下保持蒸气传输的同时，抵抗润湿、污染和盐积累。

具有不对称润湿性的Janus膜为应对这些局限性提供了一种有前景的策略[6]、[7]、[8]。疏水层维持MD所需的汽-液界面，而亲水进料面则形成水化界面，限制污染物与膜的直接接触。最近的水凝胶类Janus涂层已显示出改善抗表面活性剂诱导润湿、抗油污染和抗矿物结垢的性能[9]、[10]。关于无粘合剂膜功能化和可控Janus界面的研究也强调了涂层连续性和界面结构的重要性[11]、[12]。然而，仅表面亲水性并不能确保长期稳定性。薄弱的界面结合可能导致运行过程中开裂或分层[13]。因此，亲水层的稳定附着仍然是一个关键挑战。

聚四氟乙烯（PTFE）因其极低的表面能、优异的化学惰性和热稳定性，被认为是MD的理想疏水膜材料。电纺PTFE膜还提供了高孔隙率和互连的蒸气传输通道[14]、[15]。 However，惰性PTFE表面的直接改性较为困难；因此，引入具有相似含氟碳骨架的PVDF中间层，通过物理缠结和范德华力作用改善界面相容性[16]。PVDF中间层可为后续涂层提供更可及的表面，同时保持与含氟基体的相容性。

近年来，天然多糖水凝胶因其优异的亲水性、生物相容性和温和的交联条件而受到关注。海藻酸含有甘露糖酸和古洛糖酸单元，可被Ca²⁺快速交联形成"蛋箱"网络[17]、[18]、[19]。由此形成的钙藻酸水凝胶含有大量羟基和羧酸基团，能够维持强水化表面。海藻酸基层已显示出改善MD中抗污染和抗结垢性能的潜力[20]、[21]、[22]、[23]。然而，海藻酸浓度和交联条件如何影响水凝胶层的连续性、结构稳定性和蒸气传输阻力仍有待深入研究。

在本研究中，通过在电纺PTFE基体上沉积PVDF中间层并对海藻酸钠进行单侧CaCl?离子交联，制备了SA–CaCl?/PVDF/PTFE Janus膜。研究了海藻酸钠浓度和交联时间对膜形貌、表面化学、润湿性和直接接触式膜蒸馏（DCMD）性能的影响。使用含有SDS和乳化油的盐水进料以及在长期高盐浓缩条件下对优化后的膜进行了评估。核心问题在于三层结构能否在保持疏水蒸气传输通道的同时，提供稳定的水化进料界面。新颖之处在于将电纺PTFE基体与PVDF界面桥和钙藻酸水凝胶层相结合，在不施加过大通量损耗的情况下改善结构稳定性和抗润湿、抗污染性能。

章节摘要

化学品与材料

聚四氟乙烯分散液（PTFE，60 wt%）由太仓凯达塑料原料有限公司（中国苏州）提供。聚环氧乙烷（PEO，分子量=600 kDa）、海藻酸钠（SA，90%）和无水氯化钙（CaCl₂，96%）购自麦克林生化科技有限公司（上海）。聚偏氟乙烯粉末（PVDF，分子量=1000 kDa）购自Solvay S.A. N、N-二甲基甲酰胺（DMF，99%）和十二烷基硫酸钠（SDS）

Janus膜的表面形貌与EDS分析

图3展示了不同SA浓度和交联时间制备的Janus膜亲水面的表面形貌。当SA浓度过高或交联时间过长时，水凝胶层过度交联和压实。尽管该层保持完整，但其柔韧性和界面黏附力下降，干燥过程中的收缩应力可能导致微裂纹。不当参数控制导致的表面缺陷（残留

结论

通过在电纺PTFE基体上沉积PVDF中间层，随后将海藻酸钠与CaCl?进行单侧离子交联，制备了SA–CaCl?/PVDF/PTFE Janus膜。系统研究了海藻酸钠浓度和交联时间对凝胶层结构和膜性能的影响，最优SA浓度和交联时间分别为1 mg mL^?1和5 min，产生了致密、均匀且结构稳定的

CRediT作者贡献声明

赵双：撰写 – 初稿，软件，方法学，调查，正式分析，构思。邓婷婷：验证，构思。刘大鹏：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，资金获取。张甘威：方法学，正式分析。沈素苏：调查，构思。洪耀亮：正式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文报告工作的已知经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国国家自然科学基金（编号：51908394、51678381）的支持。

赵双|邓婷婷|刘大鹏|张甘威|沈素苏|洪耀亮