热驱动膜脱盐技术因其在高盐废水处理中的潜力而受到广泛关注。然而，在保持较高的水通量的同时实现挥发物的高截留率仍然是一个相当大的挑战。在此，提出了一种热渗透蒸发（TOE）系统，该系统利用分子插层调节氧化石墨烯（GO）作为热渗透选择性渗透层，定位在疏水聚偏氟乙烯纤维膜上作为热蒸发层。通过同时限制小分子以扩大层间间距并在GO层间引入聚合物以形成致密网络，小心地构建GO膜的建筑层间纳米通道，所得产物对NaCl的截留率为100%，对挥发性苯胺的截留率为97.41%，在40℃温差下的透水率为63.80 L m^–2 h^–1，优于先前报道的GO基膜。模拟和计算结果表明，GO中间层之间的聚合物网络有利于非挥发性离子和挥发性分子的高效分离，而通道的扩大降低了蒸汽扩散阻力。本研究为先进膜的设计提供了有价值的见解，并为复杂高盐废水处理TOE系统的持续发展提供了启示。
 
 
  
图1（A）具有多层GO纳米片膜的TOE系统的示意图，该多层GO纳米片膜位于疏水性PVDF纤维膜上用于脱盐，以及（B）由多层纳米片膜中的相邻纳米片在干燥和潮湿状态下形成的纳米通道。（C） GO理论层间距对膜通量和挥发分截留率影响的示意图和（D）解决这一矛盾的潜在概念和策略。（E） GO膜的层间纳米通道之间设计屏障的示意图，以增强挥发性筛分，并提出可能的挥发性筛分机理。
 
 
图2. （A） 合成工艺示意图，通过8-AA和PAA的联合使用，创建具有定制建筑夹层的高渗透GO膜。（B） FE-SEM图像显示了相关GO膜的表面和横截面图，相应的TEM图像包含在插图中。（C） 图示位于GO纳米片层之间的8-AA和PAA分子的排列。（D） S/P-GO膜片段的HRTEM图像和元素图谱。
 
 
图3. （A） 不同GO膜的XRD图谱和（B）HRTEM图像。（C） 密度泛函理论计算结果和（D）有机掺杂对GO膜层间距的IRI分析。（E） PAA链构象变化对分子直径的影响。（F） 分别在20℃和60℃下浸入水中后膜的2D通道尺寸的变化。（G） 不同GO膜的XPS C 1s光谱。（H） 涉及PAA、8-AA和GO抗膨性能的交联过程示意图。
 
 
 
图4. （A） N₂渗透性，（B）液体入口压力和（C）各种GO膜的WCA。（D） 用于评估不同GO膜脱盐性能的DCMD设置示意图。（E） 比较膜蒸汽通量、苯胺和离子截留效率。（F） 相关膜的标准化蒸汽通量随时间变化。（G） FE-SEM图像描述了脱盐12 h后膜的形态。（H） 不同浓度NaCl溶液的水回收率。（I） 代表力–使用前后S/P-GO膜的延伸曲线。（J） S/P-GO膜在脱盐过程中筛选其他具有不同物理和化学性质的挥发性化合物的性能评估。（K） S/P-GO膜的脱盐性能与文献报道值的比较。
 
 
图5. （A） S/P-GO膜抽真空到疏水和亲水PVDF纤维膜上的照片。（B） 示意图演示了TOE和膜脱盐过程。（C） 挥发性筛分机理和水通过GO和S/P-GO膜传输的示意图。（D） 不同GO膜的孔径分布和平均孔径。（E） GO基膜最终状态下的渗透模型。（F） 通过GO基膜的苯胺和水分子的数量。（G） 快照描述了水通过S/P-GO膜的扩散，以及在大约0–12 ns的时间范围内观察到的该膜对苯胺和盐的截留，快照显示了潜在的双重筛分机制。（H） 水-S/P-GO和苯胺-S/P-GO膜的相互作用能。
 
       相关研究成果由哈尔滨工业大学Wei Wang、南京理工大学Jiansheng Li课题组2025年发表在ACS Nano (链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15010)上。原文：Volatile Sieving Using Architecturally Designed Nanochannel Lamellar Membranes in Membrane Desalination

转自《石墨烯研究》公众号