據化工學(xué)報微信公眾平臺2019年2月21日訊 王凱等《自組裝法制備PVDF-SiO2/PVSQ超疏水復合膜及膜蒸餾抗污染性能》一文在《化工學(xué)報》2019年第1期上（王凱, 王德武, 侯得印, 袁子怡, 王軍. 自組裝法制備PVDF-SiO2/PVSQ超疏水復合膜及膜蒸餾抗污染性能[J]. 化工學(xué)報, 2019, 70(1): 298-308，DOI： 10.11949/j.issn.0438-1157.20180845）。

　　文章重點(diǎn)介紹采用乙烯基三甲氧基硅烷(VTMOS)對SiO2疏水改性，通過(guò)自組裝法，將改性SiO2接枝在商業(yè)PVDF(聚偏氟乙烯)膜表面，使其表面達到超疏水。利用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡、紅外光譜儀、接觸角測量?jì)x及毛細流孔徑分析儀等儀器對改性前后膜的表面形貌、化學(xué)組成、接觸角及孔徑變化等性能參數進(jìn)行表征。結果表明，VTMOS不僅對SiO2疏水改性，還通過(guò)自身的水解縮聚反應，生成了規整圓球狀的聚乙烯基倍半硅氧烷(PVSQ)微粒，納米級SiO2分布于微米級PVSQ表面，在改性膜表面構造了多層次微/納米粗糙表面，在低表面能疏水基團乙烯基和甲氧基的共同作用下，成功實(shí)現了超疏水改性，改性膜水接觸角達到159.5°，滾動(dòng)角降至8.1°。以NaCl、HA和CaCl2混合溶液為進(jìn)料液，對商業(yè)PVDF膜和改性膜進(jìn)行了長(cháng)期直接接觸式膜蒸餾(DCMD)實(shí)驗，探究其抗污染性能。結果表明，改性膜適用于長(cháng)期DCMD實(shí)驗，并表現出比商業(yè)PVDF膜更穩定的通量，截鹽率始終大于99.99%，具有良好的穩定性和抗污染性能。

　　膜蒸餾技術(shù)(membrane distillation，MD)是一種將傳統蒸餾過(guò)程與膜分離技術(shù)相結合，以疏水微孔膜為介質(zhì)，由疏水膜兩側溫差引起的蒸汽壓差作為推動(dòng)力的新型液體分離技術(shù)。相比于傳統蒸餾過(guò)程，MD操作溫度較低，可利用太陽(yáng)能等低品位余熱進(jìn)行操作，同時(shí)，與其他壓力驅動(dòng)膜分離過(guò)程，如反滲透、納濾相比，由于MD較低的操作壓力，不需使用高壓泵或高壓容器等昂貴組件，降低了操作成本，此外，對原溶液中的離子、分子等非揮發(fā)性溶質(zhì)理論上截留率可以達到100%，因此，MD可以廣泛用于生活廢水、工業(yè)廢水的處理以及醫藥、食品加工等方面。

　　在MD過(guò)程中，疏水膜作為冷熱兩側的傳質(zhì)通道和物理屏障，只允許蒸汽通過(guò)，是MD的核心部分。保持疏水膜膜孔干燥，不被堵塞，對保證MD通量和截鹽率有著(zhù)至關(guān)重要的作用。目前，MD過(guò)程中應用的膜主要是商業(yè)微濾膜，由疏水聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯(PP)等制備而成。但是，在實(shí)際操作過(guò)程中，PVDF膜孔易被潤濕或被污染物堵塞，降低MD的效率，抑制了MD的廣泛應用。近年來(lái)研究表明，將PVDF膜表面改性為超疏水，可有效防止膜污染現象發(fā)生。目前應用的抗污染技術(shù)主要有原料液的預處理以及對膜進(jìn)行沖洗，與本文超疏水抗污染技術(shù)相比，對原料液預處理可能會(huì )提高膜的污染率，對膜進(jìn)行沖洗則會(huì )造成回收率降低，操作壓力升高以及膜的使用壽命縮短。

　　超疏水表面一般指與水的接觸角大于150°，且滾動(dòng)角小于10°的表面，具有自清潔、防水、防冰、抗氧化、減阻等多種獨特的表面性能。制備超疏水表面的靈感來(lái)自于自然界中存在的超疏水表面，如荷葉或昆蟲(chóng)翅膀等。超疏水表面的制備，主要總結為以下兩種途徑：構造多層次的微/納米粗糙表面，或在具備一定粗糙程度的表面上修飾低表面能物質(zhì)。近年來(lái)，已經(jīng)報道了多種構造超疏水表面的方法，如溶膠-凝膠法、模板法、靜電紡絲法、等離子體處理法以及化學(xué)氣相沉淀法等。但是，上述方法易受限于復雜的制備步驟，昂貴的技術(shù)成本或只能制備較小樣品。自組裝技術(shù)作為一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的方法，可廣泛用于制備超疏水表面。

圖1．PVDF-SiO2/PVSQ超疏水復合膜制備機理

　　本實(shí)驗采用自組裝法開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的將商業(yè)PVDF表面改性為超疏水的方法。采用乙烯基三甲氧基硅烷(vinyltrimethoxysilane，VTMOS)對二氧化硅(SiO2)進(jìn)行疏水改性，將改性SiO2接枝在商業(yè)PVDF膜表面，VTMOS自身水解縮聚反應生成了規整圓球狀的聚乙烯基倍半硅氧烷(polyvinylsilsesquioxane，PVSQ)，二者共同構造了多層次微/納米粗糙表面，與此同時(shí)，在改性膜表面分布有低表面能疏水基團乙烯基、甲氧基，成功制備超疏水表面。之后對改性膜進(jìn)行了長(cháng)期直接接觸式膜蒸餾(direct contact membrane distillation，DCMD)實(shí)驗，考察了其抗污染性能。