綠水青山就是金山銀山，近年來，國家愈加重視生態(tài)環(huán)境保護，出臺了一系列政策，支持污水處理行業(yè)發(fā)展。污水回用工藝過程的末端產(chǎn)生大量高含鹽鹵水，含有復雜的無機、有機污染物，濃縮高含鹽鹵水是環(huán)境保護和資源化過程中的重要問題，也是實現(xiàn)零排放的關(guān)鍵步驟。常規(guī)鹵水濃縮技術(shù)（如蒸發(fā)、機械蒸汽再壓縮、電滲析等）的能耗和固定成本均較高；膜蒸餾（MD）技術(shù)操作簡單、可利用低品味熱源，具有較大的應用潛力，但濃縮過程中產(chǎn)生的潤濕、結(jié)垢和污染等問題，限制了膜蒸餾的進一步應用。

近期，中國科學院上海高等研究院研究員何濤課題組先后與上海科技大學、大連理工大學、英國格拉斯哥大學、俄羅斯科學院合作，在超疏水表面耐結(jié)垢、耐污染研究中取得系列進展，采用流變儀測試扭矩，進行滑移長度的計算，提出基于水-氣-膜三相界面的表面滑移理論，完善了傳統(tǒng)熱力學成核理論在解釋耐結(jié)垢現(xiàn)象中的不足，是在認識耐結(jié)垢理論方面的創(chuàng)新性進展，為耐結(jié)垢膜材料設計提供了指導。相關(guān)研究成果陸續(xù)發(fā)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。

研究人員采用微模塑相分離方法，設計出一種超疏水聚偏氟乙烯（PVDF）微米柱陣列膜（MP-PVDF），膜的接觸角為166.0°，滾動角為15.8°。經(jīng)過四氟化碳（CF4）等離子體處理后，所得膜（CF4-MP-PVDF）的滾動角減小到3.0°，表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性和耐結(jié)垢性能。研究人員通過熱力學分析得出矛盾，從水力學角度出發(fā)，提出潤濕狀態(tài)在耐結(jié)垢中的重要作用。相關(guān)研究成果分別以Slippery for scaling resistance in membrane distillation: A novel porous micropillared superhydrophobic surface和Scaling mitigation in membrane distillation: From superhydrophobic to slippery為題，發(fā)表在Water Research和Desalination上。（圖1和圖2）

研究人員基于超疏水微米柱膜，對表面進行正電荷改性，通過靜電吸附作用負載二氧化硅納米粒子，構(gòu)建雙疏膜SiNPs-MP-PVDF，對純水（γ=72.8 mN/m）的接觸角高達175.6°，滾動角為3.5°，對低表面張力的十六烷（γ=27.5 mN/m）接觸角達151°，在濃縮硫酸鈣料液和酪蛋白溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。相關(guān)研究成果以Unprecedented scaling/fouling resistance of omniphobic polyvinylidene fluoride membrane with silica nanoparticle coated micropillars in direct contact membrane distillation為題，發(fā)表在Journal of Membrane Science上。（圖3）

在此前的研究中，研究人員通過對疏水材料進行表面設計及改性，發(fā)現(xiàn)了氣-液界面的存在對耐結(jié)垢性能的重要影響，以此為出發(fā)點，通過操控實驗的工藝條件，闡述了脈沖流與表面滑移之間的協(xié)同作用機理。相關(guān)研究成果以Synergy of slippery surface and pulse flow: An anti-scaling solution for direct contact membrane distillation為題，發(fā)表在Journal of Membrane Science上。（圖4）

此外，研究人員根據(jù)目前已有的研究成果，從流體動力學角度，提出了“滑移邊界條件發(fā)揮關(guān)鍵作用”的新認識。相關(guān)研究成果以Understanding the fouling/scaling resistance of superhydrophobic/omniphobic membranes in membrane distillation為題，發(fā)表在Desalination上。

上海高研院碩士研究生肖澤淳、劉勇捷、劉莉分別為上述論文的第一作者，何濤為論文通訊作者。上海科技大學教授章躍標團隊、大連理工大學教授李戰(zhàn)勝、英國格拉斯哥教授尹華兵團隊、俄羅斯科學院教授Volkov等是該研究的合作者。研究工作得到國家自然科學基金、英國皇家學會牛頓高級學者基金、中科院國際合作項目的支持。

論文鏈接：1、2、3、4、5

圖1.一種多孔微米柱膜的制備及耐結(jié)垢性能研究

圖2.表面規(guī)整微米柱陣列PVDF膜材料的制備及其在膜蒸餾中的滑動耐污染研究

圖3.納米二氧化硅包覆的雙疏膜的制備及其在濃縮硫酸鈣和酪蛋白料液中的研究

圖4.脈沖流和滑移表面協(xié)同作用于膜蒸餾中耐結(jié)垢的研究