我国学者在共价有机框架薄膜膜蒸馏海水淡化研究方面取得进展

作者: 岳秦 康强 发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目（批准号：21625102、21971017、21922502、21674012）等资助下，北京理工大学王博、冯霄教授团队和中国科学技术大学王奉超教授团队合作，在膜蒸馏海水淡化领域取得进展。研究成果以“具有亲疏水梯度的共价有机框架薄膜膜蒸馏（Hydrophilicity gradient in covalent organic frameworks for membrane distillation）”为题，于2021年7月22日在线发表于《自然-材料》（Nature Materials）期刊。论文连接：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01052-w。

图.（A）竞争性可逆共价键合策略示意图。（B）膜蒸馏过程中亲水膜、疏水膜、COF膜和缺陷工程COF膜中水传输通道的比较。

随着全球人口的快速增长和工业的不断发展，淡水资源短缺已经成为亟待解决的全球性问题，海水淡化是解决淡水危机问题的有效途径。在诸多海水淡化技术中，膜蒸馏（membranedistillation, MD）技术利用膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力，并通过热驱动使得水蒸气穿过多孔的疏水膜材料进行脱盐，在处理高浓度、高污染盐水和利用工业废热等低品位热以及太阳能、地热能方面具有巨大优势。然而，传统聚合物疏水MD膜通量低且面临的膜污染和膜浸润等问题，限制了膜蒸馏技术的进一步发展。

针对以上问题，研究团队以具有规整贯穿纳米孔道的二维共价有机框架（covalent organic framework, COF）薄膜为基础，通过引入竞争性可逆共价键合策略，制备了孔道大小和孔内亲疏水环境随深度梯度变化的COF薄膜（见图），实现了高通量膜蒸馏海水淡化。一方面，超薄疏水分离层（传质路径短）以及垂直贯穿的纳米孔道（曲率低），使得水蒸气的跨膜阻力大幅下降；另一方面，限域纳米孔道对水蒸发具有增强效应。使COF复合膜在NaCl截留率为99.99%的同时，通量达220 L m–2 h–1（3.5 wt.% NaCl溶液为进料液，测试温度65 oC）。此外，在COF薄膜中构建的孔径以及亲疏水梯度赋予膜材料抗污染性能。纳米孔内静电排斥作用的增强，延缓孔壁盐结晶，降低膜浸润风险，使分离膜具有长期运行稳定性。