具有松针状分层纳米结构的疏水性纳米纤维膜用于增强膜蒸馏性能

DOI: 10.1021/acsami.9b17494

润湿和结垢现象是处理高盐度工业废水中膜蒸馏（MD）的主要问题。本工作利用水热技术在聚偏氟乙烯-共六氟丙烯（PVDF-HFP）纳米纤维上生长二氧化钛（TiO₂）纳米棒，从而开发了一种疏水膜。TiO₂纳米棒在PVDF-HFP纤维上形成均匀的松针状分层纳米结构。进一步的氟化处理使膜具有低表面能的疏水表面，与水和矿物油的接触角分别为168°和153°。直接接触MD实验表明，所制备的膜对盐的截留率高达99.9％以上且稳定，而原始的PVDF-HFP纳米纤维膜在表面活性剂和矿物油存在下的脱盐过程中，由于强烈的孔隙润湿和油污而导致截留率下降。优良的抗湿和防污性能归因于在疏水分层再入结构中积聚大量空气而形成的非湿润Cassie-Baxter状态。具有松针状分层纳米结构疏水膜的开发提供了一种减轻MD工艺中膜润湿和结垢的方法，以用于从工业废水中回收水。

图1.TiO₂纳米棒FOTS改性PVDF-HFP纳米纤维制备工艺示意图。

图2.直接接触式膜蒸馏装置示意图。

图3.（a，b）原始PVDF-HFP纳米纤维，（c，d）涂覆在PVDF-HFP纳米纤维上的PDA，（e，f）固定在PVDFFP纳米纤维上的TiO₂种子，（g，h）PVDF-HFP/TiO₂-NRs纳米纤维，以及（i，j）PVDF-HFP/TiO₂-NRs-FOTS纳米纤维不同放大倍数的扫描电镜图像。

图4.（a）原始PVDF-HFP纳米纤维、（b）PVDF-HFP/TiO₂-NRs纳米纤维和（c）PVDF-HFP/TiO₂-NRs-FOTS纳米纤维的FTIR光谱。

图5.（a）原始PVDF-HFP纳米纤维和PVDF-HFP/TiO₂-NRs-FOTS纳米纤维的全扫描，（b）PVDF-HFP/TiO₂-NRs-FOTS纳米纤维的Ti 2p和（c）O 1s的XPS光谱。

图6.原始PVDF-HFP纳米纤维与PVDF-HFP/TiO₂纳米纤维的（a）接触角和（b）表面润湿行为的比较。

图7.在不同（a）SDS浓度和（b）油浓度条件下，采用35 g/L 氯化钠生理盐水对PVDF-HFP/TiO₂纳米纤维膜和原始PVDF-HFP纳米纤维膜的水通量和盐分截留率进行了研究。在所有MD实验中，渗透温度和进料温度分别保持在20℃和60℃。