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上海高研院等在超疏水表面滑移現象與耐結垢、耐污染關聯研究中獲系列突破！

2021-01-28 11:25:23 作者：本網整理來源：上海高等研究院分享至：

綠水青山就是金山銀山，近年來，國家愈加重視生態環境保護，出臺了一系列政策，支持污水處理行業發展。污水回用工藝過程的末端產生大量高含鹽鹵水，含有復雜的無機、有機污染物，濃縮高含鹽鹵水是環境保護和資源化過程中的重要問題，也是實現零排放的關鍵步驟。常規鹵水濃縮技術（如蒸發、機械蒸汽再壓縮、電滲析等）的能耗和固定成本均較高；膜蒸餾（MD）技術操作簡單、可利用低品味熱源，具有較大的應用潛力，但濃縮過程中產生的潤濕、結垢和污染等問題，限制了膜蒸餾的進一步應用。

近期，中國科學院上海高等研究院研究員何濤課題組先后與上海科技大學、大連理工大學、英國格拉斯哥大學、俄羅斯科學院合作，在超疏水表面耐結垢、耐污染研究中取得系列進展，采用流變儀測試扭矩，進行滑移長度的計算，提出基于水-氣-膜三相界面的表面滑移理論，完善了傳統熱力學成核理論在解釋耐結垢現象中的不足，是在認識耐結垢理論方面的創新性進展，為耐結垢膜材料設計提供了指導。相關研究成果陸續發表在Water Research（2019,155:152-161），Journal of Membrane Science（2020,603:118035; 2020,599:117819），Desalination（2019,466:36-43; 2021,499: 114864）等期刊上。

研究人員采用微模塑相分離方法，設計出一種超疏水聚偏氟乙烯（PVDF）微米柱陣列膜（MP-PVDF），膜的接觸角為166.0°，滾動角為15.8°。經過四氟化碳（CF4）等離子體處理后，所得膜（CF4-MP-PVDF）的滾動角減小到3.0°，表現出優異的疏水性和耐結垢性能。研究人員通過熱力學分析得出矛盾，從水力學角度出發，提出潤濕狀態在耐結垢中的重要作用。相關研究成果分別以Slippery for scaling resistance in membrane distillation: A novel porous micropillared superhydrophobic surface和Scaling mitigation in membrane distillation: From superhydrophobic to slippery為題，發表在Water Research和Desalination上。（圖1和圖2）

研究人員基于超疏水微米柱膜，對表面進行正電荷改性，通過靜電吸附作用負載二氧化硅納米粒子，構建雙疏膜SiNPs-MP-PVDF，對純水（γ=72.8 mN/m）的接觸角高達175.6°，滾動角為3.5°，對低表面張力的十六烷（γ=27.5 mN/m）接觸角達151°，在濃縮硫酸鈣料液和酪蛋白溶液中表現出優異的性能。相關研究成果以Unprecedented scaling/fouling resistance of omniphobic polyvinylidene fluoride membrane with silica nanoparticle coated micropillars in direct contact membrane distillation為題，發表在Journal of Membrane Science上。（圖3）

在此前的研究中，研究人員通過對疏水材料進行表面設計及改性，發現了氣-液界面的存在對耐結垢性能的重要影響，以此為出發點，通過操控實驗的工藝條件，闡述了脈沖流與表面滑移之間的協同作用機理。相關研究成果以Synergy of slippery surface and pulse flow: An anti-scaling solution for direct contact membrane distillation為題，發表在Journal of Membrane Science上。（圖4）

此外，研究人員根據目前已有的研究成果，從流體動力學角度，提出了“滑移邊界條件發揮關鍵作用”的新認識。相關研究成果以Understanding the fouling/scaling resistance of superhydrophobic/omniphobic membranes in membrane distillation為題，發表在Desalination上。

上海高研院碩士研究生肖澤淳、劉勇捷、劉莉分別為上述論文的第一作者，何濤為論文通訊作者。上海科技大學教授章躍標團隊、大連理工大學教授李戰勝、英國格拉斯哥教授尹華兵團隊、俄羅斯科學院教授Volkov等是該研究的合作者。研究工作得到國家自然科學基金、英國皇家學會牛頓高級學者基金、中科院國際合作項目的支持。

論文鏈接：

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0043135419300909

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S001191641930712X

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0376738819330996

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0376738820306141

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0011916420315423