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膜蒸餾（MD）由于其對鹽濃度耐受性強(qiáng)、能源效率高等優(yōu)勢，已成為一種很有前景的高鹽水綜合處理技術(shù)。然而，高性能MD過程卻往往需要在高滲透通量和高效防污之間作一取舍：高滲透通量MD需具有適當(dāng)?shù)谋砻婵紫堵屎妥銐虻挠行д舭l(fā)面積，然而，高選擇性滲透極易導(dǎo)致膜界面嚴(yán)重的濃差極化，產(chǎn)生界面過飽和區(qū)，加劇界面非均相核化和結(jié)垢。

受荷葉超疏水性和魚鰓不堵塞的功能啟發(fā)，大連理工大學(xué)賀高紅教授、姜曉濱教授通過對聚丙烯（PP）微孔膜進(jìn)行化學(xué)改性，誘導(dǎo)微/納米SiO₂顆粒在膜界面上有序生長，并對微/納米梯度結(jié)構(gòu)進(jìn)行氟硅烷修飾，成功研發(fā)出具有類似荷葉和魚鰓雙重仿生結(jié)構(gòu)MD復(fù)合膜（F-nmSiO₂-PP/N，圖1a），實現(xiàn)膜蒸餾過程的高滲透通量和高防污性能協(xié)同提升。

項目團(tuán)隊研制的F-nmSiO₂-PP/N膜，表面微、納多級結(jié)構(gòu)與疏水基團(tuán)，顯著增加膜界面的粗糙度和疏水性，并利用道南效應(yīng)，實現(xiàn)對氯離子的排斥；同時，F-nmSiO₂-PP/N膜表面微米級超疏水結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)半球狀類似荷葉表面的規(guī)則突起，保留更多氣隙，顯著增大有效蒸發(fā)面積和滲透通量（圖1b）。另一方面，納米尺度的連續(xù)突起結(jié)構(gòu)，在界面構(gòu)建了納米級的微湍流，顯著增強(qiáng)復(fù)合膜界面流體湍動程度；CFD模擬結(jié)果表明，膜表面所形成的納米級旋渦可以有效地縮短鹽離子與膜表面相互作用的局部停留時間，減少晶體沉積（圖1c，d）。

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圖1?F-nmSiO₂-PP/N的仿生結(jié)構(gòu)闡釋及高通量和抗污性能作用機(jī)制

高鹽水（3.5wt%）MD測試表明F-nmSiO₂-PP/N滲透通量達(dá)到22.0 kg/(m²·h)，且連續(xù)運(yùn)行后F-nmSiO₂-PP/N表面無明顯結(jié)晶沉積（圖2a, b）。研究還發(fā)現(xiàn)，F-nmSiO₂-PP/N表面非常堅韌，能夠在長時間超高鹽濃度（15 wt%）連續(xù)運(yùn)行、間歇式不清洗運(yùn)行等嚴(yán)苛條件下保證通量穩(wěn)定，抗污染性能優(yōu)異（圖2c-e）。

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圖2?F-nmSiO₂-PP/N高鹽水MD測試

以上成果發(fā)表在ACS Nano（ACS Nano 2020, 14, 17376–17386）。論文的第一作者為姜曉濱教授，第二作者為邵鈺珊碩士，通訊作者為賀高紅教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22021005，21978037，21676043）、科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊項目（2016RA4053）、“興遼英才”計劃項目、大連理工大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊專題（DUT19TD33）支持。