《Journal of Membrane Science》：Nanostructured Hydrophilic Interfaces of PVDF Janus Membranes for High Salinity Water Treatment: A Combined Theoretical and Experimental Analysis
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本研究通过相反转法制备了具有梯度表面润湿性的PVDF Janus膜，利用Zn-PVDF纳米层增强亲水性。密度泛函理论分析表明该结构最优，使水通量提升93%，盐排斥率>99.99%，并验证了其在高盐条件下的长期稳定性。
Md Emdad Hossain|Muhammad Zain Azeem|Mohammed Abdul Azeem|Hilal Ahmad|Faheemuddin Patel|Qasem A. Drmosh|Turki N. Baroud
沙特阿拉伯达兰市法赫德国王石油与矿业大学材料科学与工程系，邮编31261
摘要
膜蒸馏（MD）的性能受到膜表面性质的强烈影响，尤其是非对称润湿界面的稳定性和功能性。在本研究中，通过在砂纸和玻璃基底上采用相转化法制备了聚偏二氟乙烯（PVDF）膜，并在渗透侧表面形成一层超薄的物理沉积纳米层，以增加亲水性同时保持膜本身的疏水性。基于密度泛函理论的结构优化和能量性质的理论分析表明，Zn–PVDF相互作用是热力学上最优选的配置，使得氧原子暴露在膜的外表面，从而增强了膜的亲水性。这种无需溶剂的表面工程方法制备出了无分层结构的Janus膜，其水接触角（WCA）梯度可达50°，在高盐度条件下表现出优异的界面粘附性和长期稳定性。纳米层的沉积对膜的孔隙率、厚度和曲折度影响很小，但显著改善了表面粗糙度、润湿性和MD性能。在使用70 g L-1 NaCl进料的水间隙膜蒸馏（WGMD）过程中，最优膜达到了38.31 kg m-2 h-1的通量，比原始PVDF膜高出93%，同时盐分排斥率仍保持在99.99%以上。长期使用实际海水进行的测试证实了该膜具有出色的耐久性、抗润湿性以及用于膜蒸馏结晶和矿物回收的预浓缩能力。本研究表明，对纳米层形成的精确控制能够设计出结构稳定的Janus膜，为下一代高盐度海水淡化系统提供了一条可持续且可扩展的途径。
章节摘录
引言
淡水短缺正成为由于人口增长、工业化和城市化而带来的紧迫全球性问题[1]。为解决这一问题，海水淡化已成为将海水转化为饮用水的常用技术。然而，传统的淡化技术存在一些局限性，如需要昂贵的基础设施、较高的能耗以及盐水处理过程中的环境问题[2],[3]。基于膜的淡化技术是一个有前景的解决方案
材料
聚偏二氟乙烯（PVDF）粉末（分子量约为534,000）、氯化锂（LiCl）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和乙醇（纯度≥99.9%）均购自美国Sigma-Aldrich公司。用于制备进料溶液的氯化钠（NaCl，纯度99.8%）购自比利时ChemLab公司。本研究中使用的商用PVDF膜购自TISCH Scientific公司。去离子水（DI水）由Merck Millipore公司的实验室规模系统提供。膜制备
在本研究中，采用了两种...
形态、结构完整性和结晶度测量
所制备膜的表面形态通过美国FEI Quanta 250 FEG公司的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）进行了观察。样品首先使用Cressington溅射镀膜机进行50秒的金溅射处理，以实现高分辨率成像。表面形态观察时的工作距离约为10 mm，截面观察时的工作距离约为11.5 mm，加速电压保持恒定为15 kV。能量色散光谱（EDX）...形态分析
选择玻璃和砂纸基底是为了在NIPS过程中将它们的独特表面图案转移到膜上。使用SEM分析了未经修饰和经过溅射修饰的PVDF膜的表面形态。如图3a1所示，铸在玻璃基底上的PVDF膜底层呈现出相对致密且光滑的表面。这种结构归因于NIPS过程中与玻璃基底发生的快速相分离现象...结论
制备具有非对称润湿性的Janus膜的关键挑战之一在于创建一个结构稳定且无分层的界面。在本研究中，通过在膜表面形成一层超薄的物理沉积纳米层，成功克服了这一挑战，从而得到了一个与疏水基底紧密结合的亲水顶层。这种坚固的界面显著提升了WGMD的性能
CRediT作者贡献声明
Faheemuddin Patel：撰写 – 审稿与编辑。Mohammed Abdul Azeem：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。Hilal Ahmad：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计。Turki N. Baroud：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、实验设计、资源管理、项目监督、方法论设计、实验研究、资金申请、数据分析、概念构思。Qasem A. Drmosh：撰写 – 审稿与编辑...利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。致谢
本研究由法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）通过项目（INMW2503）资助。
