上海高研院等在超疏水表面滑移现象与耐结垢、耐污染关联研究中获进展

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发布时间：2021-01-26 来源：上海高等研究院访问：

　　绿水青山就是金山银山，近年来，国家愈加重视生态环境保护，出台了一系列政策，支持污水处理行业发展。污水回用工艺过程的末端产生大量高含盐卤水，含有复杂的无机、有机污染物，浓缩高含盐卤水是环境保护和资源化过程中的重要问题，也是实现零排放的关键步骤。常规卤水浓缩技术（如蒸发、机械蒸汽再压缩、电渗析等）的能耗和固定成本均较高；膜蒸馏（MD）技术操作简单、可利用低品味热源，具有较大的应用潜力，但浓缩过程中产生的润湿、结垢和污染等问题，限制了膜蒸馏的进一步应用。

　　近期，中国科学院上海高等研究院研究员何涛课题组先后与上海科技大学、大连理工大学、英国格拉斯哥大学、俄罗斯科学院合作，在超疏水表面耐结垢、耐污染研究中取得系列进展，采用流变仪测试扭矩，进行滑移长度的计算，提出基于水-气-膜三相界面的表面滑移理论，完善了传统热力学成核理论在解释耐结垢现象中的不足，是在认识耐结垢理论方面的创新性进展，为耐结垢膜材料设计提供了指导。相关研究成果陆续发表在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。

　　研究人员采用微模塑相分离方法，设计出一种超疏水聚偏氟乙烯（PVDF）微米柱阵列膜（MP-PVDF），膜的接触角为166.0°，滚动角为15.8°。经过四氟化碳（CF₄）等离子体处理后，所得膜（CF₄-MP-PVDF）的滚动角减小到3.0°，表现出优异的疏水性和耐结垢性能。研究人员通过热力学分析得出矛盾，从水力学角度出发，提出润湿状态在耐结垢中的重要作用。相关研究成果分别以Slippery for scaling resistance in membrane distillation: A novel porous micropillared superhydrophobic surface和Scaling mitigation in membrane distillation: From superhydrophobic to slippery为题，发表在Water Research和Desalination上。（图1和图2）

　　研究人员基于超疏水微米柱膜，对表面进行正电荷改性，通过静电吸附作用负载二氧化硅纳米粒子，构建双疏膜SiNPs-MP-PVDF，对纯水（γ=72.8 mN/m）的接触角高达175.6°，滚动角为3.5°，对低表面张力的十六烷（γ=27.5 mN/m）接触角达151°，在浓缩硫酸钙料液和酪蛋白溶液中表现出优异的性能。相关研究成果以Unprecedented scaling/fouling resistance of omniphobic polyvinylidene fluoride membrane with silica nanoparticle coated micropillars in direct contact membrane distillation为题，发表在Journal of Membrane Science上。（图3）

　　在此前的研究中，研究人员通过对疏水材料进行表面设计及改性，发现了气-液界面的存在对耐结垢性能的重要影响，以此为出发点，通过操控实验的工艺条件，阐述了脉冲流与表面滑移之间的协同作用机理。相关研究成果以Synergy of slippery surface and pulse flow: An anti-scaling solution for direct contact membrane distillation为题，发表在Journal of Membrane Science上。（图4）

　　此外，研究人员根据目前已有的研究成果，从流体动力学角度，提出了“滑移边界条件发挥关键作用”的新认识。相关研究成果以Understanding the fouling/scaling resistance of superhydrophobic/omniphobic membranes in membrane distillation为题，发表在Desalination上。

　　上海高研院硕士研究生肖泽淳、刘勇捷、刘莉分别为上述论文的第一作者，何涛为论文通讯作者。上海科技大学教授章跃标团队、大连理工大学教授李战胜、英国格拉斯哥教授尹华兵团队、俄罗斯科学院教授Volkov等是该研究的合作者。研究工作得到国家自然科学基金、英国皇家学会牛顿高级学者基金、中科院国际合作项目的支持。