華中科技大學周軍教授團隊《Adv. Mater.》：電荷梯度水凝膠膜實現高鹽廢水脫鹽的直接零液體排放
零液體排放（ZLD）可以最大限度地提高水的回收率，并且避免廢水外排對生態環境的污染風險，是一種近乎理想的廢水管理策略。廢水中通常包含廣譜的有機污染物和高濃度的無機鹽，因此需要經過一系列復雜的預處理和脫鹽過程才能實現零液體排放，但這種非直接的零液體排放系統成本和能耗巨大。膜蒸餾（MD）技術能夠處理反滲透技術無法處理的超高鹽度廢水，而且可以回收利用工業廢熱，有望實現低成本的直接零液體排放。傳統的膜蒸餾技術采用疏水多孔膜將熱鹽水與冷淡水分離。然而，疏水多孔膜存在很高的膜潤濕風險，有機物污染與無機鹽結垢都會降低疏水膜的疏水性，從而引起熱鹽水與冷淡水跨膜混合，使得系統喪失脫鹽能力。雖然通過界面工程可以提高疏水膜對某一類污染物的抗污性，但是開發具有廣譜抗污性的膜是膜蒸餾領域的一個巨大挑戰。
針對膜污染的問題，華中科技大學武漢光電國家研究中心周軍教授團隊提出了一種新范式膜蒸餾策略，即采用親水無孔的電荷梯度水凝膠(CGH)膜替代傳統的疏水多孔膜。這種電荷梯度水凝膠膜具有準固態結構，可以把液體鹽水與有機污染物約束在聚合物網絡中，因此具有抵抗有機污染的特性。同時，聚合物網絡上的電荷梯度提供了巨大的滲透壓泵效應，使得膜在快速輸運水分的同時，將部分無機鹽阻擋在外，因此具有防止鹽垢污染的特性。此外，由于蒸發發生在滲透側，蒸汽的傳質阻力大大減小，電荷梯度水凝膠膜的水通量相比商業的聚四氟乙烯（PTFE）膜可提高60%-110%。基于以上優勢，該電荷梯度水凝膠膜能夠對含有廣譜污染物（500 mg L-1）的高鹽廢水（130 g L-1）進行長達200 h的長時間穩定脫鹽處理。該技術為高鹽廢水脫鹽的直接零液體排放開辟了一條有嶄新的道路。
圖1. 傳統膜蒸餾與基于CGH的膜蒸餾的對比。具有疏水性多孔膜的傳統膜蒸餾具有高的蒸汽傳質阻力，而且容易被有機污染物和無機鹽結晶污染；基于CGH的膜蒸餾的蒸汽傳質阻力低，并且可防止有機污染與無機鹽結垢。
圖2. CGH膜的電荷梯度結構和輸水性能。a）CGH膜的截面結構示意圖；b）一卷CGH膜的照片（500厘米乘15厘米）；c）干燥的CGH的橫截面SEM圖像和 d，e）鈉元素（d）和硫元素（e）對應的EDS圖譜；f）具有不同帶電單體比例的電荷均質水凝膠（CHH）的水結構和輸水速率；g）在帶有相同電荷單體比的CHH（左）和CGH（右）膜中模擬水的傳輸速度。
圖3. CGH的長時間穩定性和脫鹽性能。a）在由各種無機鹽和有機污垢組成的高鹽度廢水連續脫鹽過程中，基于CGH的膜蒸餾的水通量和滲透離子傳導率；b）脫鹽前后的照片和相應的離子電導率；c）脫鹽前后所測廢水中四種主要陽離子的濃度；d）脫鹽前后廢水的拉曼光譜。
相關論文以題為Charge‐Gradient Hydrogels Enable Direct Zero Liquid Discharge for Hypersaline Wastewater Management發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2021, 2100141)上。論文的第一作者為華中科技大學武漢光電國家研究中心博士生謝文科，通訊作者為周軍教授和段將將副教授。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100141?af=R
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