章 海, 徐莉莉, 穆 榮, 王少坡, 張貴英, 張文娟*

(1. 天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300384; 2. 中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心, 環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 )

膜具有選擇性分離的特性,在其兩側(cè)施加一定壓力,可實(shí)現(xiàn)溶液中不同組分的分離,從而達(dá)到提純、濃縮的目的.膜分離過程是物理過程,無需添加任何其他試劑,且無中間產(chǎn)物生成.與傳統(tǒng)過濾相比,膜分離的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)分子級(jí)別的分離,能耗低、效率高,被認(rèn)為是理想的分離技術(shù)之一[1-4].

在過去幾十年中,微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、膜蒸餾(MD)和正滲透(FO)迅速發(fā)展,并被廣泛用于脫鹽和廢水處理[5-7].然而,膜技術(shù)應(yīng)用仍然存在一些挑戰(zhàn),如:膜污染嚴(yán)重、選擇透過性低和能耗較高等.因此,需要開發(fā)具有更好選擇性和抗污染能力的膜材料.導(dǎo)電膜是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域,在海水淡化和廢水處理方面顯示出巨大潛力[8-9].與傳統(tǒng)膜相比,導(dǎo)電膜具有良好的導(dǎo)電性,可以將外部施加的電勢分布于膜表面,改變膜表面的正/負(fù)電荷密度,產(chǎn)生物理、化學(xué)及電化學(xué)作用,如:庫侖排斥、靜電相互作用、電泳、焦耳加熱、局部pH變化,以及產(chǎn)生過氧化氫等氧化物.在上述現(xiàn)象共同作用下,導(dǎo)電膜顯示出更強(qiáng)的污染物去除能力,其水通量和選擇透過性相比傳統(tǒng)膜而言顯著提高,由此可見導(dǎo)電膜將成為更有應(yīng)用前景的水處理膜材料.

1 導(dǎo)電膜的分類

導(dǎo)電膜是具有導(dǎo)電功能的薄膜,是利用外加電場作用來提高膜的分離性能,其中以電子導(dǎo)電膜為主,也包含部分離子導(dǎo)電膜.導(dǎo)電膜的制備對于膜分離應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用,近年來,利用導(dǎo)電物質(zhì)制備導(dǎo)電膜的研究層出不窮,導(dǎo)電膜的種類也較多,其中根據(jù)膜孔徑的不同,主要分為導(dǎo)電微濾膜、導(dǎo)電超濾膜、導(dǎo)電納濾膜、導(dǎo)電反滲透膜以及導(dǎo)電正滲透膜.

收稿日期: 2022-10-11; 修改稿收到日期: 2022-10-24

基金項(xiàng)目: 天津市教委科研計(jì)劃項(xiàng)目(2018KJ161)

第一作者簡介: 章 海(1997-),男,安徽銅陵人,碩士,研究方向?yàn)榛谔技{米材料導(dǎo)電納濾膜的制備與研究.*通訊作者,E-mail:wenjuanvivian@126.com

引用本文: 章 海,徐莉莉,穆 榮,等.導(dǎo)電膜的分類、制備及應(yīng)用[J]. 膜科學(xué)與技術(shù),2023,43(2):164-172.

Citation: Zhang H, Xu L L, Mu R,etal.Classification, preparation and application of conductive membrane[J].Membrane Science and Technology(Chinese),2023,43(2):164-172.

1.1 導(dǎo)電微濾膜

微濾(MF)膜也叫微孔過濾膜,孔徑一般在0.02～10 μm之間.Zsigrnondy等[10]于1919年首先提出了合成硝酸纖維素微孔膜的方法,使得MF膜成為膜分離技術(shù)中最早研究和應(yīng)用的分離膜.

通常,MF膜用作廢水處理設(shè)施中的三級(jí)處理.雖然MF膜可有效降低廢水中的生物需氧量(BOD),但無法通過化學(xué)降解從廢水中徹底去除污染物.因此,為了提高污染物降解效率,研究人員基于MF膜進(jìn)行改性.通過向基膜中添加導(dǎo)電聚合物、碳納米管(CNT)等導(dǎo)電物質(zhì),開發(fā)具有高導(dǎo)電性的CNT復(fù)合膜[11].導(dǎo)電MF膜相較于普通的MF膜而言,膜的很多性能得到了提高.近幾年,研究者[12-15]將CNT分別沉積于聚醚砜(PES)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)膜表面,制備出基于CNT的導(dǎo)電MF膜,減小了膜的孔徑(基膜相比減小十幾倍)、提高了膜的導(dǎo)電性、膜的脫鹽率和抗污染性也有了顯著變化.

1.2 導(dǎo)電超濾膜

超濾(UF)膜的工作壓力在0.1～0.5 MPa左右,因其成本低、操作簡單而廣泛應(yīng)用于水處理.廢水中Cr6+的高毒性對環(huán)境造成嚴(yán)重危害,傳統(tǒng)的UF膜對Cr6+的截留率較低,限制了其在去除Cr6+方面的應(yīng)用,而導(dǎo)電UF膜對于Cr6+的截留效果較好.Liu等[16]制備出的CNT復(fù)合導(dǎo)電UF膜具備良好的導(dǎo)電性和較高的機(jī)械強(qiáng)度,同時(shí)在外加電壓下對Cr6+的去除率可達(dá)到95.2%.

1.3 導(dǎo)電納濾膜

納濾(NF)是介于超濾和反滲透之間的一種膜分離技術(shù),主要用于大分子與小分子有機(jī)物之間的分離,也被認(rèn)為是苦咸水和海水淡化的一個(gè)非常有效的技術(shù).NF膜的操作壓力一般為0.5 ～ 2 MPa,孔徑在1 nm左右,具有較高的多價(jià)離子鹽截留率,但單價(jià)離子鹽的截留率相對較低.此外,傳統(tǒng)NF膜在不犧牲水通量的情況下實(shí)現(xiàn)高鹽截留率仍然面臨巨大挑戰(zhàn),因此研究人員通過制備新型導(dǎo)電NF膜來提高對鹽的截留率以及膜的滲透性.Zhang等[17]制備的PANi-PSS/CNT導(dǎo)電納濾膜在電場輔助下可以增強(qiáng)對鹽的截留性能(～93%Na2SO4),同時(shí)保持膜的滲透性.

1.4 導(dǎo)電反滲透膜

反滲透(RO)過程是滲透過程的逆過程,即溶劑從濃溶液透過膜向稀溶液中流動(dòng).RO膜主要用于海水的脫鹽、純水制備以及低分子量水溶性組分的濃縮和回收.為了提高反滲透膜的截留率和抗污染性,研究人員探究了基于CNT的導(dǎo)電RO膜.Jung等[18]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的CNT-COOH懸浮液噴涂到RO膜上,然后,沉積一層聚乙烯醇(PVA,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%)溶液,用于將CNT固定于膜表面.制備出的導(dǎo)電RO膜在外加電壓的作用下,對硼的去除率超過90%,為海水淡化中硼的去除提供了一個(gè)有效的途徑.

1.5 導(dǎo)電正滲透膜

正滲透是利用膜兩側(cè)溶液的滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)使水分子從高勢能向低勢能一側(cè)自發(fā)遷移的膜過程,可被應(yīng)用于污水處理與淡水凈化、海水淡化等多個(gè)領(lǐng)域.為了提高正滲透膜在水處理中的應(yīng)用效能,研究人員也通過制備導(dǎo)電正滲透膜,利用外電場的作用,進(jìn)一步提高正滲透膜的通量和抗污染性能.Shakeri等[19]利用聚苯胺(PANI)和石墨烯制備的正滲透導(dǎo)電膜,通過施加2 V陽極電位,其通量恢復(fù)率和抗污染性都得到了顯著改善.

2 導(dǎo)電膜的制備方法

目前導(dǎo)電膜制備大多是在傳統(tǒng)膜的基礎(chǔ)上利用導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娂{米粒子進(jìn)行改性.與常規(guī)膜改性方式類似,導(dǎo)電膜的制備方法主要有表面涂覆、化學(xué)聚合、共混改性、接枝改性等[20-26].

2.1 表面涂覆

表面涂覆法是通過在膜表面浸泡(或旋涂)具有功能團(tuán)的物質(zhì),從而使得膜表面具有特定功能的方法.表面涂覆方法具有很多的優(yōu)點(diǎn),如操作簡單、反應(yīng)環(huán)境溫和、使用成本較低,同時(shí)賦予膜材料表面特定的功能.因此,表面涂覆在膜改性中應(yīng)用的十分廣泛.

Bu等[27]用沉積CNT在聚二甲基硅氧烷(DMS)薄膜上進(jìn)行表面涂覆改性,制備了可拉伸電子導(dǎo)電膜.研究了水分散體中碳納米材料的濃度、電阻和涂層薄膜的光學(xué)透射率之間的相關(guān)性.結(jié)果表明,CNT包覆的PDMS薄膜具有更好的導(dǎo)電性和光學(xué)透過率.

2.2 化學(xué)聚合

化學(xué)聚合法是制備導(dǎo)電膜較成熟的方法,即將兩種活潑單體分別溶于兩種互不相溶的溶液中,在兩溶液的界面上,兩種單體產(chǎn)生了不可逆的縮聚反應(yīng).Liu等[28]通過化學(xué)聚合法制備出了導(dǎo)電聚吡咯醋酸纖維素膜,并將其應(yīng)用于電場膜生物反應(yīng)器中,導(dǎo)電膜接上陰極,不銹鋼網(wǎng)作為陽極施加正電場.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:制備的導(dǎo)電膜可以用作電極,且能達(dá)到降低功耗的作用.Salehi等[19]采用氯化鐵作為氧化劑,利用氧化聚合的改性方式獲得了導(dǎo)電聚吡咯-聚砜復(fù)合膜.Liu等[29]制備了一種防污、親水的導(dǎo)電膜,用吡咯和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)聚合原位形成聚吡咯(PPy)對聚酯濾布進(jìn)行改性.隨著聚合過程中SDBS濃度的增加(0.5、1或2 g/L),膜的電導(dǎo)率和親水性也相應(yīng)提高.

2.3 共混改性

共混改性是一種典型的膜基體改性.一種聚合物與其他聚合物共混形成新材料的過程我們稱之為共混改性,這種新型材料不僅具有原有材料的特性,還可能會(huì)有克服其各自缺陷的新特性.這種改性方法應(yīng)用十分廣泛,主要是因?yàn)槠渚邆湟韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn):使聚合物的加工性能改善;可以有效擴(kuò)大材料的選擇范圍;具備更優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性;相轉(zhuǎn)化過程中,鑄膜液中的溶劑更傾向于遷移到外壁、孔壁表面而形成疏松多孔的活性層從而增強(qiáng)膜的選擇性.

最近,Xing等[30]通過在室溫下將聚偏氟乙烯與離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽進(jìn)行熔融共混,成功得到了改性聚偏氟乙烯離子導(dǎo)電膜.摻入室溫離子液體可以大大提高聚偏氟乙烯膜的延展性、透過率,并有效提高了其抗靜電性能.

2.4 接枝改性

表面接枝改性是通過化學(xué)反應(yīng)在膜表面接枝新的功能團(tuán)來進(jìn)行表面改性(例如等離子體、輻照、光引發(fā)表面接枝改性等).

Lee等[20]將3種有機(jī)硅烷接枝到氧化鋁陶瓷膜上,其中有機(jī)硅烷改性材料包括荷正電、荷負(fù)電和不帶電的,結(jié)果證明,可以通過接枝改性的方式對陶瓷膜進(jìn)行改性.Song等[26]將帶負(fù)電荷的磺酸基團(tuán)共價(jià)連接到了聚醚砜膜和再生纖維素膜的表面,在靜電相互作用下,膜對天然有機(jī)物的去除率更高,且能夠有效緩解膜污染.

3 導(dǎo)電膜的應(yīng)用進(jìn)展

在過濾過程中,結(jié)合外加電壓的作用下,導(dǎo)電膜的導(dǎo)電性能展現(xiàn)出了一系列潛在的應(yīng)用優(yōu)勢,可應(yīng)用于開發(fā)抗有機(jī)(生物)污染膜、污染控制,以及將電化學(xué)技術(shù)與水處理和膜脫鹽工藝相結(jié)合[31-34]等.根據(jù)導(dǎo)電膜不同的用途,可分為有機(jī)污染控制、生物污染控制、提高離子鹽截留、膜蒸餾熱管理等應(yīng)用.

3.1 用于有機(jī)污染控制的導(dǎo)電膜

由于有機(jī)物沉積以及膜表面形成生物膜導(dǎo)致的膜污染是造成膜過濾效率降低的主要因素之一,它不僅阻礙了過濾速度,而且使膜通量難以恢復(fù),已成為膜工業(yè)發(fā)展的主要限制之一,而導(dǎo)電膜的研究有助于緩解膜在過濾中產(chǎn)生的有機(jī)污染.Zhang和Vectis[35]通過相轉(zhuǎn)化制備了一種導(dǎo)電CNT-PVDF網(wǎng),該網(wǎng)置于PES超濾膜上作為陰極,導(dǎo)電碳纖維布(CCP)作為陽極材料,通過電容充電在膜表面產(chǎn)生負(fù)電荷.研究發(fā)現(xiàn),如圖1所示,溶液首先流經(jīng)多孔陽極,然后流經(jīng)CNT-PVDF陰極,最后流經(jīng)UF膜,形成電極膜結(jié)構(gòu),可有效緩解有機(jī)膜污染.

圖1 緩解NOM污染的膜電極裝置:(C+F)負(fù)表面電荷和電場[35]Fig.1 Membrane electrode setup for mitigation of NOM contamination:(C+F) negative surface charges and electric fields[35]

Li等[36]通過原位流動(dòng)電聚合法制備了一種活性電Fenton 聚偏氟乙烯/不銹鋼/聚吡咯(PVDF/SS/PPy)陰極膜,在好氧條件下會(huì)發(fā)生電Fenton反應(yīng),陰極膜上存在靜電吸附和電化學(xué)氧化的現(xiàn)象,靜電吸附作用可提高導(dǎo)電膜的選擇性,電化學(xué)氧化的作用可有效去除苯酚小分子有機(jī)污染物,減輕膜污染.

Huang等[37]使用不銹鋼網(wǎng)制備復(fù)合導(dǎo)電MF膜,通過施加外部電場來有效控制膜生物反應(yīng)器(MBR)的有機(jī)污染,并利用激光掃描共聚焦顯微鏡(CLSM)觀察濾后膜表面的污染層組成(圖2).實(shí)驗(yàn)表明[圖2(a)],與對照組MBR相比,電化學(xué)MBR具有更薄的污染層,污染層中多糖(如a-甘露吡喃糖基、a-吡喃葡萄糖基)所占比例更小,說明了電化學(xué)MBR在減少多糖類的污染成分方面非常有效.在電場為2 V/cm時(shí),長期連續(xù)運(yùn)行MBR處理廢水的污染率比對照實(shí)驗(yàn)降低了約50%.圖2(b)闡明了有機(jī)污染緩解的主要機(jī)制:施加電壓后的MBR中,污染物和膜之間的靜電斥力增強(qiáng),原位產(chǎn)生的H2O2通過氧化還原作用減少可溶性微生物產(chǎn)物和胞外聚合物的產(chǎn)生和沉積,有助于減輕污染.該研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)MBR的可持續(xù)運(yùn)行提供了膜污染控制策略.

圖2 (a) 控制膜生物反應(yīng)器(上部)和電化學(xué)膜生物反應(yīng)器(下部)中使用的膜的CLSM圖像,以及(b)防污染機(jī)制的示意圖[37]Fig.2 (a) CLSM images of the membranes used in the control membrane bioreactor (upper part) and electrochemical membrane bioreactor (lower part), and (b) schematic illustration of the antifouling mechanism[37]

關(guān)于抗有機(jī)污染的RO導(dǎo)電膜研究較少.Ahmed等[38]將納米纖維素(NC)和碳納米結(jié)構(gòu)(CNS)加入PVA反滲透膜中來制備RO導(dǎo)電膜并進(jìn)行抗污染性能測試.所制備的導(dǎo)電膜均顯示出99.7%的高鹽截留率.其中,含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)7% CNS的PVA-NC-CNS的通量比PVA-NC增加93%.采用腐植酸(HA)作為目標(biāo)污染物對膜進(jìn)行48 h污染,污染過的膜進(jìn)行反沖洗,在酸性介質(zhì)中施加-5 V電壓,能夠通過電解有效清除導(dǎo)電膜表面的HA[38],這也進(jìn)一步驗(yàn)證了RO導(dǎo)電膜結(jié)合電化學(xué)技術(shù)表現(xiàn)出顯著的抗污染能力.

為了緩解膜蒸餾(MD)中的膜污染,Huang等[39]提出了一種新型真空膜蒸餾方法-電場輔助真空膜蒸餾(EVMD),以導(dǎo)電聚四氟乙烯(PTFE)膜作為陰極,不銹鋼絲網(wǎng)作為陽極.其中,PTFE膜是以CNT和石墨烯的混合物作為導(dǎo)電基底來制備.結(jié)果表明,當(dāng)導(dǎo)電基底的單位面積負(fù)載量為10 g/m2時(shí),PTFE膜具有良好的導(dǎo)電性和較高的氣體通量[～60 m3/(m2·h)],這是由于CNT導(dǎo)電基底中摻雜石墨烯形成納米通道,從而提高膜疏水性和膜蒸餾通量.實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了在場強(qiáng)為10 V/cm的間歇電場下,EVMD表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗污染能力.有研究[40]將電催化劑(納米TiO2)沉積于CNT/石墨烯為基礎(chǔ)的導(dǎo)電膜表面,將導(dǎo)電膜被用作陰極進(jìn)行EVMD過程.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在電場排斥和電催化的協(xié)同作用下,EVMD通量從4.97 L/(m2·h)提高到8.89 L/(m2·h);HA污染后的導(dǎo)電膜,通過電化學(xué)清洗4 h后,EVMD通量從8.51 L/(m2·h)提高到11.68 L/(m2·h).此外,EVMD導(dǎo)電膜對羅丹明紅染料的電催化降解接近99%,且具有良好的電催化穩(wěn)定性.

3.2 用于生物污染控制的導(dǎo)電膜

膜過濾在長時(shí)間運(yùn)行下,即使水體中細(xì)菌濃度較低,也可導(dǎo)致膜表面生物污染的形成,從而降低膜通量、增加反沖洗頻率.由于生物污染增加了運(yùn)行成本和維護(hù)成本,并造成膜的使用壽命縮短,因此如何利用導(dǎo)電膜的優(yōu)勢來降低膜污染具有實(shí)際意義.Zhang等[41]在商用PVDF微濾膜上對CNT的Nafion溶液進(jìn)行真空抽濾,制備了交錯(cuò)碳納米管電極(ICE).使用10-7和10-8CFU/mL熒光假單胞菌進(jìn)行死端過濾,通過研究電化學(xué)活性電極對細(xì)菌密度和形態(tài)的影響,分別評(píng)估細(xì)菌的去除率和反沖洗效果.施加2 V直流(DC)和交流(AC)電壓,CNT電極膜上的平均細(xì)菌去除率相比對照PVDF膜上顯著減少.受施加電壓的影響,過濾后陰極CNT電極膜表面的細(xì)菌密度比PVDF膜低87%～90%,陽極表面的細(xì)菌密度比PVDF膜低59%～93%,反洗進(jìn)一步顯著降低了陰極表面的細(xì)菌密度.

Zhou等[34]將聚苯胺(PANI)和銀納米顆粒(AgNP)分別作為導(dǎo)電增強(qiáng)劑和抗菌劑加入到聚砜(PSf)基膜中,制備抗菌性導(dǎo)電超濾膜.與原PSf膜相比,AgNP-PANI-PSf膜的孔隙率較低,表面親水性較高.該研究表明,直流或交流電激活的AgNP-PANI-PSf膜可以有效地控制細(xì)菌的生成和附著,交流活化使膜中AgNPs的抗菌性最強(qiáng),而直流活化使膜中AgNPs的損失量最小.

3.3 用于提高離子鹽截留率的導(dǎo)電膜

與RO相比,NF在提供高水通量的同時(shí)消耗更少的能量[46].NF對多價(jià)離子鹽,如Ca2+、Mg2+等的鹽去除效果比較理想(>90%),但對Na+和Cl-等單價(jià)離子的鹽截留率低(10%～60%),這限制了它在高水通量條件下的脫鹽應(yīng)用.NF膜的分離機(jī)制包括尺寸篩選、靜電相互作用.由于選擇性-滲透性的權(quán)衡,膜孔徑的減小提高了截留率,但以滲透性為代價(jià).因此,在保持高滲透性的同時(shí),提高NF的截留率,尤其是對單價(jià)離子鹽的截留率,是目前研究的熱點(diǎn).

研究表明,提高納濾膜表面的靜電相互作用可在不影響透水率的情況下提高對離子鹽的截留率[47],而表面改性可以改善膜表面電荷密度和親水性[48-49].但是,表面電荷密度的增加受到有效表面積和功能層的限制.為進(jìn)一步改善靜電相互作用,提高膜對帶電離子的吸附能力,可采用電輔助的方法.Zhang等[50]就結(jié)合電化學(xué)耦合技術(shù),通過真空抽濾技術(shù)制備了PANI-PSS/CNT-NF膜.如圖3(a)使用雙電極測試裝置進(jìn)行電輔助過濾實(shí)驗(yàn),其中,PANI-PSS/CNT膜用作陰極,相同尺寸的鈦網(wǎng)用作陽極.圖3(b)是0～3 V的不同電壓下膜的滲透性變化.在電輔助作用下,Na2SO4截留率從81.6%提高到93.0%;NaCl截留率則從53.9%逐漸提高到82.4%,而膜的滲透性仍然保持不變.這也進(jìn)一步說明了電輔助可以增強(qiáng)PANI-PSS/CNT NF膜的離子鹽截留性能,同時(shí)保持膜滲透性.這對制備高性能導(dǎo)電分離膜以及促進(jìn)電輔助膜分離技術(shù)在水處理領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義.

圖3 (a) 電輔助膜過濾的示意圖; (b) 不同電壓下PANI-PSS/CNT膜的純水通量[50]Fig.3 (a) Schematic diagram of electroassisted membrane filtration; (b) pure water permeability of PANI-PSS/CNT films at different voltages[50]

反滲透(RO)已成為海水淡化的主流技術(shù).雖然反滲透可以去除海水中的大部分離子鹽,尤其是對于一些單價(jià)離子鹽的截留率達(dá)到99%,但去除微小的不帶電污染物仍然具有挑戰(zhàn)性[51-52].例如,海水中的硼以不帶電的硼酸分子形式存在,脫鹽后的海水若用于某些作物灌溉,則需要進(jìn)一步去除其中的硼.目前采用雙通道RO脫鹽裝置去除海水中的硼,經(jīng)過第一道RO處理后,將pH提高到大于硼酸的pKa,然后再次使用RO(第二道)進(jìn)行處理.雖然該工藝可以實(shí)現(xiàn)較高的硼去除率,但會(huì)產(chǎn)生較高的運(yùn)營成本[53].基于此,Jung等[53]將CNT沉積于商用RO膜表面,制備了CNT-PVA涂層RO膜,并探討了外加陰極電位對硼和鹽的截留率、抗污染能力的影響.實(shí)驗(yàn)證明,施加陰極電位可以提高膜附近的pH,從而顯著提高硼截留率.因此使用CNT-PVA涂層RO膜可提高海水中的硼的去除率且可減少經(jīng)濟(jì)投入.

3.4 利用導(dǎo)電膜進(jìn)行MD熱管理

高鹽度廢水的處理需要使用熱驅(qū)動(dòng)處理工藝,如膜蒸餾(MD),但是其復(fù)雜性和成本都很高,在MD工藝中,通過疏水膜(熱鹽水和冷蒸餾物)的溫度梯度驅(qū)動(dòng)水蒸汽透過膜的傳輸,同時(shí)阻止液態(tài)水和溶解鹽透過.然而,這些熱的、高鹽度的鹽水具有高度腐蝕性,使得系統(tǒng)中的熱管理(即換熱器)成本提高,MD熱管理的替代方法之一是使用焦耳加熱.Dudchenko等[54]已經(jīng)證明了基于CNT的導(dǎo)電膜對MD工藝具有焦耳加熱效應(yīng),而該方法存在CNT電解氧化的問題.在高頻下施加交流電,可達(dá)到防止CNT電解氧化目的,同時(shí),可獲得接近100%的水回收率.該研究還表明,直接加熱MD工藝與可再生能源(如光電板)耦合可以減少碳排放,提高技術(shù)的可持續(xù)性.Liet等[55]設(shè)計(jì)了一種新型反向焦耳加熱氣隙MD(AGMD)方法,該方法使用還原氧化石墨烯-聚四氟乙烯(rGO-PTFE)導(dǎo)電膜,其中電熱rGO焦耳加熱層放置在氣隙側(cè),與鹽水隔離.盡管導(dǎo)電層位于氣隙處,但90%的熱量會(huì)進(jìn)入進(jìn)水端進(jìn)行加熱.此外,反向焦耳加熱防止了水的分解,減輕了膜的濕潤,因此可以降低能耗.與傳統(tǒng)MD緩解的膜潤濕相反,膜基質(zhì)中的溫度梯度是由毛細(xì)管冷凝引起的.這種新穎的電熱驅(qū)動(dòng)MD結(jié)構(gòu)值得推廣應(yīng)用.

據(jù)報(bào)道,Song等[56]為了緩解MD的溫度極化(TP),在PVDF中空纖維膜中引入電熱鎳鉻電阻絲.對制備的MD導(dǎo)電膜進(jìn)行電熱研究,當(dāng)施加較低的直流電(0.15 A)時(shí),會(huì)產(chǎn)生焦耳加熱效應(yīng),導(dǎo)致導(dǎo)電膜表面溫度在幾分鐘內(nèi)上升到70 ℃.與無電流狀態(tài)相比,MD導(dǎo)電膜的滲透通量提高了2.5倍,比能耗降到最低,同時(shí)保持99%以上的鹽截留率.由于溫度升高,MD導(dǎo)電膜界面處的水分蒸發(fā)加快.研究還發(fā)現(xiàn),由于MD導(dǎo)電膜的電熱效應(yīng),TP系數(shù)為100%,表明TP得到了有效抑制[56].

4 總結(jié)與展望

在過去的十年里,膜分離技術(shù)在分離、抗污染和傳輸特性方面取得了重大的進(jìn)步.目前,膜技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是膜污染、滲透性-選擇性權(quán)衡、壓力驅(qū)動(dòng)膜對不帶電污染物的選擇性、熱驅(qū)動(dòng)膜的熱管理和能耗.導(dǎo)電膜可以為上述挑戰(zhàn)提供解決方案.導(dǎo)電膜結(jié)合了膜的過濾效果和導(dǎo)電元件的電化學(xué)效果,在通量、污染緩解和污染物去除方面改善了膜性能.本文系統(tǒng)地綜述了導(dǎo)電膜的分類、制備方法及其在膜技術(shù)中的應(yīng)用,包括導(dǎo)電微濾膜、導(dǎo)電超濾膜、導(dǎo)電納濾膜、導(dǎo)電反滲透膜以及導(dǎo)電正滲透膜.重點(diǎn)介紹了各種類型導(dǎo)電膜在膜技術(shù)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異性能.然而,導(dǎo)電膜也存在一些問題有待解決:(1)導(dǎo)電膜在脫鹽和廢水處理方面表現(xiàn)出很好的效果,但在高電位下,其性能仍不穩(wěn)定.因此,有必要研究提高導(dǎo)電膜穩(wěn)定性的途徑或開發(fā)在高電位下具有穩(wěn)定性的新型材料.(2)導(dǎo)電膜改性材料種類還有待探尋,現(xiàn)有的導(dǎo)電聚合物種類有限,需要尋找更具高效的導(dǎo)電材料來提高導(dǎo)電膜的導(dǎo)電性,進(jìn)一步降低其能耗.(3)未來在導(dǎo)電膜領(lǐng)域的研究需求包括開發(fā)能夠容納膜和反電極的適當(dāng)膜組件,以及為反電極確定適當(dāng)?shù)哪透g材料,這將大大降低導(dǎo)電膜工藝的能耗和提高其效能.