疏水石墨烯膜的制備及其用于膜蒸餾脫鹽的研究進展

高凱華，茆羊羊，劉公平，金萬勤

（材料化學工程國家重點實驗室，南京工業大學化工學院，南京211816）

水資源的短缺和安全問題是21 世紀最大的挑戰之一[1-2]。人口的快速增長、工業化的急速發展以及氣候變化等問題對水資源的安全性造成了巨大的壓力，進一步加劇了全球水資源危機。脫鹽技術是解決水資源短缺最常用的方法，尤其是飲用水。目前仍需開發低成本、低能耗、環保安全的脫鹽技術以獲得清潔水資源的持續供應[3]。與傳統脫鹽技術相比，膜分離技術具有明顯優勢。例如，與傳統吸附方法相比使用更少的空間；具有優異的分離效率和選擇性，可以獲得更高質量的水質；易于維護和連續操作。其中，膜蒸餾（membrane distillation，MD）技術，通常在低溫、常壓下操作，理論截鹽率為100%，且對原料液濃度的靈敏度較低，有望解決鹽濃縮物分離等問題[4]。

近年來，石墨烯材料憑借其獨特的二維結構及快速傳質通道，在水質凈化、溶劑脫水、氣體分離等膜分離領域受到越來越多的關注。石墨烯的疏水性，使其在膜蒸餾脫鹽方面展現出巨大潛力。本文先后從膜蒸餾的基本原理、疏水石墨烯膜的材料性質及制備、疏水石墨烯用于膜蒸餾脫鹽及未來展望展開綜述。

1 膜蒸餾概述

膜蒸餾是一種以疏水微孔膜兩側蒸汽壓差為推動力實現物料分離的膜過程，被廣泛應用于海水脫鹽、有機廢水處理、食品加工等領域[5]。膜蒸餾技術用于水脫鹽過程時，水在高溫進料側膜表面蒸發，水以蒸汽的形式透過多孔疏水膜并在低溫滲透側被冷凝收集，而非揮發性的鹽組分無法透過膜，從而實現鹽水分離[6]。通常，根據膜滲透側收集水蒸氣的不同方式（圖1），膜蒸餾技術分為4 類[7]：直接接觸式膜蒸餾（direct contact membrane distillation，DCMD）、空氣隙式膜蒸餾（air gap membrane distillation，AGMD）、吹掃氣式膜蒸餾（sweep gas membrane distillation，SGMD）及真空式膜蒸餾（vacuum membrane distillation，VMD）。

DCMD過程的優點是結構簡單、能耗低，但由于大量熱量從高溫側直接進入冷卻水中[8-9]，使得該操作方式熱效率降低，容易造成熱損失[10]；對于AGMD，膜滲透側的冷凝產品可以準確計量[11]，適用于實驗室研究，但缺點是通量低、結構復雜且不適用于中空纖維膜，一定程度限制其工業應用[7]。SGMD 過程的傳質推動力比DCMD 和AGMD 大[12]，但需要額外的冷卻器冷凝透過側的蒸汽，故能耗較大[13]，適合用于理論分析；對于VMD，這種膜蒸餾的熱傳導損失可以忽略，因而可用來測定溫度邊界層的傳熱效率[14]。為防止料液進入膜孔，VMD需采用相對較小孔徑的膜，但比其他膜蒸餾過程具有更大的傳質通量，近幾年來受到較多關注[15]。光熱膜蒸餾技術亦成為一種很有前途的膜蒸餾脫鹽技術，然而太陽能熱轉換的能效較低，因此需要對該工藝進行復雜的改造及深入的研究[16]。

圖1 四種膜蒸餾技術操作示意圖［7］

MD 膜的主要特征是多孔性和疏水性，用于膜蒸餾脫鹽的膜材料主要包括聚合物材料、無機材料、有機無機復合材料及其他新型納米材料。傳統聚合物疏水膜材料，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）及聚丙烯（PP）等[17-18]，國內天津工業大學[19]、中國科學技術大學[20]、天津大學[21]等多個研究單位對此類疏水聚合物膜的孔結構控制、疏水性調節、膜的抗污染性能等方面開展了長期深入研究。近年來，共混聚合物膜材料也成為研究熱點， 如PVDF-HFP、 PVDF-CTFE、 PVDF-PS、PVDF-PES 等憑借其優異的理化性質[22-24]，在膜蒸餾脫鹽中展現良好的分離性能。

目前研究較多的無機疏水膜材料主要是陶瓷類材料，它們是由金屬氧化物，如氧化鋁、氧化鋯等材料高溫燒結而成。陶瓷膜表面通常是親水的，因此通過修飾有機長鏈的方法使其呈現疏水性[25]，但此類方法改性的陶瓷膜難以在高溫、強酸等復雜進料條件下穩定維持其疏水性和脫鹽性能。

為提高膜蒸餾脫鹽過程的水通量、疏水穩定性、抗污染性能[26]，人們開始關注一些新型的膜材料，如石墨烯[27-28]、碳納米管[29-30]等。其中，石墨烯憑借其獨特的二維結構、本征疏水、各向異性熱傳導性能等特性，在膜蒸餾脫鹽應用中展現出良好的分離性能。

2 疏水石墨烯膜材料

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的新型二維材料，在電學、熱學、光學方面有著優異的性質，使其在基礎研究和實際應用中均展現巨大潛力[31]。近年來的相關研究表明：①本征疏水石墨烯結構中的碳原子為水蒸氣提供有效的吸附位置，但排斥液態水分子[32]；②石墨烯是一種具有高導熱性各向異性的二維納米材料，由于石墨烯晶格中的sp2鍵合，在x-y 方向觀察到高導熱性，而在z 方向觀察到弱范德華相互作用，導致較差的熱傳導，使其在MD過程中具有潛在優勢；③石墨烯與常見污染物分子之間的相互作用屬于弱物理吸附型，在連續流動的進料條件下，污染物分子不易在石墨烯表面附著[33]，此外石墨烯的表面持電荷中性，也有助于提高膜的抗污性能[33]。因此，石墨烯類材料在制備疏水膜及其在膜蒸餾脫鹽方面具有獨特優勢。本節將從石墨烯的疏水性質和疏水石墨烯膜的制備兩個方面介紹疏水石墨烯膜材料。

2.1 石墨烯的疏水性質

固體表面的親疏水性通常用水在表面的接觸角來表征。當接觸角θ＜90°，固體表面呈親水性質；當θ＞90°，固體表面呈疏水性質；當θ＞150°且滾動角α＜10°時，固體表面呈超疏水性質。通常采用Young’s 經典方程[34]、Wenzel 模型[35]、Cassie-Baxter模型[36]及過渡模型[37]描述固體表面的親疏水性質。

基于密度泛函理論，Leenaerts等[38]通過模擬計算發現水分子之間的結合能大于石墨烯表面對水的吸附能，使得水分子在石墨烯納米片上形成團簇，進而石墨烯表面呈現疏水性。獲得疏水石墨烯的另一重要途徑是以氧化石墨烯為基礎，進行化學修飾或形貌調控得到疏水氧化石墨烯。尤其是在將石墨烯納米片制備成膜的過程中，石墨烯納米片層之間作用力較弱，難以堆積形成穩定的膜，因此，大量研究將含有豐富含氧官能團的氧化石墨烯進行還原處理、功能化修飾及形貌調控等，再通過層層組裝、壓力驅動、化學氣相沉積及噴涂等方法制備疏水石墨烯膜。

2.2 石墨烯疏水膜的制備

石墨烯基疏水膜可分為兩大類：①以石墨烯為原材料制備的疏水石墨烯膜；②以氧化石墨烯為原材料制備的疏水氧化石墨烯膜。其制備方法包括模板輔助化學氣相沉積法、激光處理法、拉伸褶皺法、功能化修飾以及靜電紡絲法。

2.2.1 模板輔助化學氣相沉積

化學氣相沉積法（chemical vaporous deposition，CVD）是利用氣態的先驅反應物，通過原子、分子間化學反應，使得氣態前體中的某些成分分解，從而在基體上形成薄膜。采用CVD 法制備的石墨烯一般比較平整，因此需要在其表面構筑粗糙結構來調控表面潤濕性。研究表明：以具有粗糙結構的固體為模板，通過擠壓或涂覆后固化等技術將疏水材料沉積在模板上，再經過模板成型、脫除模板等可獲得超疏水表面[39]。為了引入特定的微納米結構，相關研究提出了模板輔助CVD 生長的方法制備疏水石墨烯薄膜[40]。

Dong等[41]以Si為模板襯底，采用微波等離子體CVD 方法制備了超疏水石墨烯薄膜。他們首先在平面Si襯底上制備垂直排列的幾層石墨烯納米片，表面水接觸角為132.9°。為了實現高度不潤濕的性能，將石墨烯放置在具有微納米柱陣列的Si 襯底上生長。如圖2(a)、(b)所示，石墨烯納米片均勻分布在Si 基底上，包括微米柱陣列的側面和底部。由Si 襯底的微觀結構和微米柱邊緣的納米結構組成的微納米復合結構，使得石墨烯表面疏水性達到149.8°，再經十八胺處理后，石墨烯表面的接觸角增加到152.0°，呈超疏水性。

Yoon 等[42]利用CVD 法在銅箔上生長出三維結構的石墨烯。首先在空氣中將銅箔加熱到600℃，發現在銅基底上長出了納米晶須，然后在氨氣氣氛下1000℃加熱還原三維的銅箔基底，最后采用CVD 法以甲烷為碳源生長石墨烯。結果發現，相比于在平整銅箔上生長的石墨烯，在3D 銅箔上生長的石墨烯的接觸角顯著提高，進一步將聚二甲基硅氧烷注入到三維的石墨烯結構中，接觸角達154.2°，展示了在任意基底上制備超疏水三維多孔石墨烯的可行性。

圖2 微波等離子體化學氣相沉積法在硅模板上制備超疏水石墨烯薄膜［41］

上述制備方法操作簡單，模板可重復利用，但不足之處在于制備效率較低，模板的力學性能不高，有時會發生斷裂、微結構損壞等問題，此外無法用模板精確制備小于50nm的表面粗糙結構。

2.2.2 激光加工法

圖3 不同氣氛下采用不同激光加工技術制備超親水-超疏水石墨烯薄膜［46］

激光加工是實現疏水膜表面的有效途徑之一。區別于化學修飾形成的疏水表面，通過紫外可見光和近紅外激光處理，材料可產生紋理形貌進而形成疏水表面[43]。例如，聚醚砜的紫外激光處理[44]和聚酰亞胺表面的紫外激光圖案化[45]，均證明了激光加工材料表面以增加粗糙度會產生超疏水性。近期，也有研究表明通過控制激光誘導加工的氣氛條件，如圖3所示，能夠有效地調控石墨烯表面的表面能和潤濕性[46]。Tour等[46]在O2中對聚酰亞胺進行二氧化碳激光誘導制備的石墨烯薄膜表面呈現超親水性質；而使用Ar 或H2激光誘導制備的石墨烯薄膜表面的水接觸角＞150°，呈現超疏水性質，并且這種超疏水石墨烯薄膜能有效用于油水分離和防結冰表面等領域。

2.2.3 拉伸褶皺法

通過對負載石墨烯的支撐體進行拉伸預處理，表面生長石墨烯薄層后再收縮支撐體，從而獲得高度粗糙、大面積功能化的疏水石墨烯薄膜。該方法對支撐體的彈性、力學性能要求較高，其中聚二甲基硅氧烷襯底最為常見。Zang 等[47]將CVD 生長的寡層石墨烯薄膜轉移到長度為其原始尺寸三倍（預應變為200%）的預拉伸聚二甲基硅氧烷支撐體上，如圖4，然后襯底沿著兩個方向收縮，黏附的石墨烯納米片以相同的程度收縮，形成了不同層級的粗糙度。褶皺石墨烯的粗糙結構對于疏水性至關重要，因此可以通過調節松弛類型（例如單軸或雙軸）和預應變水平（例如100%或250%）調整表面的潤濕性。

圖4 對支撐襯底進行拉伸-松弛制備的大規模疏水石墨烯薄膜［47］

2.2.4 功能化修飾

表面功能化是改變表面化學性質獲得疏水表面的有效方法。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）含有大量可修飾的含氧官能團，呈現親水性質，為改變GO表面疏水性，對其進行疏水功能化修飾是一種簡單、普遍且有效的途徑。籠狀倍半硅氧烷（POSS）是一種獨特的籠狀分子結構，Xue 等[48]首先對POSS 進行氨基化處理得到POSS-NH2，并進一步通過酰胺形成共價接枝到GO納米片上，制備得到超疏水的褶皺石墨烯表面，表面水接觸角高達157°。Lin 等[49]利用十八胺對GO 進行功能化修飾，如圖5 所示，結果表明接枝了十八胺的GO 表面能降低，疏水性顯著增加，水接觸角達到132.4°；所制備的薄膜進行150℃熱處理1h后，表面水接觸角高達163.2°，呈現超疏水性質。

其他疏水功能化修飾的化學分子還包括異氰酸苯酯[50]、含氟硅烷[51]等。總體而言，功能化改性制備疏水GO膜的方法操作簡單、反應機理清晰，但膜表面的疏水穩定較差，在復雜的流體流動、強酸堿條件下，疏水基團易脫落是目前面臨的主要問題。

2.2.5 靜電紡絲法

圖5 十八胺修飾氧化石墨烯制備的膜表面水接觸角［49］

將石墨烯或改性后的氧化石墨烯與聚合物混合，是制備多孔疏水石墨烯膜的另一重要途徑。靜電紡絲是一種特殊的多孔纖維膜制備工藝，聚合物溶液或熔體在高壓電場作用下，針頭處的液滴會由球形變為泰勒錐形，并從圓錐尖端延展得到纖維細絲，進而產生微納米級直徑的聚合物細絲，在接收器上交織形成多孔膜。在疏水聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PP）中通過靜電紡絲摻雜石墨烯或氧化石墨烯，能夠明顯改善膜表面的疏水性和分離性能。Li 等[52]先將氧化石墨烯進行1H、1H、2H、2H-全氟辛基三乙氧基硅烷功能化修飾，再將其與聚偏氟乙烯共混，采用靜電紡絲技術在聚四氟乙烯支撐體上制備了多孔納米纖維膜，發現當加入4%硅烷改性的氧化石墨烯后，膜表面水接觸角從104.0°增加至140.5°，疏水性明顯提升。通過測試膜的真空式膜蒸餾脫鹽性能，膜的水通量高達36.4kg/(m2·h)，是原始膜的兩倍，同時膜的截鹽率保持在99.9%以上。

3 疏水石墨烯膜用于膜蒸餾脫鹽

結合國內外的研究進展，目前石墨烯膜材料用于膜蒸餾脫鹽主要包括3種形式：①以石墨烯或功能化修飾的氧化石墨烯與聚合物混合制備混合基質膜；②在傳統聚合物膜表面修飾石墨烯制備石墨烯復合膜；③以石墨烯為主體制備石墨烯純膜。

3.1 石墨烯混合基質膜

疏水石墨烯混合基質膜主要分為石墨烯與聚合物共混、疏水性氧化石墨烯與聚合物共混這兩大類。石墨烯具有本征疏水性、高的熱穩定性和機械剛度以及高的比表面積，作為納米填充物可促進與聚合物基質的相互作用，為水蒸氣提供更多的擴散路徑，同時能增強膜的表面粗糙度和疏水性；以功能化修飾的氧化石墨烯作為納米填充物，能夠在降低膜孔潤濕性的同時降低膜的熱導率，從而緩解膜內溫度極化和熱擴散等問題[53]。通常制備多孔疏水石墨烯混合基質膜的方法有相轉化法和靜電紡絲法。

Leaper 等[54]將3-(氨丙基)三乙氧基硅烷功能化的氧化石墨烯（GO-APTS）加入PVDF聚合物溶液中，采用非溶劑相轉化法制備出高通量、高強度的氣隙式膜蒸餾膜（圖6）。研究表明，與純PVDF相比，GO 和GO-APTS 的加入將水通量分別提高了52%和86%，同時保持高鹽截留率（＞99.9%），這主要歸因于增加的膜表面積和孔隙率。該研究初步驗證了石墨烯作為納米復合填料制備膜蒸餾脫鹽膜的可行性。

Woo等[53]采用靜電紡絲法將石墨烯摻入疏水的聚偏氟乙烯-六氟乙烯共聚物中，系統考察了不同石墨烯摻雜量對石墨烯混合基質膜的疏水性、孔徑、孔隙率及抗拉強度及分離性能的影響。研究發現，含5%質量分數的石墨烯混合基質膜的表面水接觸角高達162°，采用AGMD 分離3.5%氯化鈉水溶液時，相比于商業化的PVDF疏水膜，展現出更高的機械性能和分離穩定性能（圖7）。該工作表明將石墨烯摻雜疏水聚合物，結合靜電紡絲制備技術，可制備高性能的MD脫鹽膜。

圖6 聚偏氟乙烯膜斷面電鏡圖［54］

圖7 石墨烯混合基質靜電紡絲纖維膜（G5PH）和商用聚偏氟乙烯膜（C-PVDF）的氣隙式膜蒸餾脫鹽性能［53］

2019 年，Salem 等[55]采用靜電紡絲技術制備了摻雜石墨烯的聚醚砜/聚偏二氟乙烯（PES/PVDF）共混膜，在PES/PVDF（質量比為3∶1）共混物中僅添加質量分數為2%的石墨烯納米片，所制備的混合基質膜的水接觸角增加至（132.3±0.8）°，用于DCMD 脫鹽，當進料入口溫度為65℃、流速為30L/h、氯化鈉濃度為10g/L時，膜的滲透通量約為19.4kg/(m2·h)。

3.2 石墨烯復合膜

石墨烯復合膜主要借助石墨烯片層間的納米通道實現水蒸氣的快速傳輸，同時石墨烯能夠提供較光滑的膜表面以減少鹽結晶現象[56]。膜進料側表面復合石墨烯或疏水化氧化石墨烯時，主要是利用石墨烯的疏水性、表面抗污染性能及褶皺的粗糙結構，改善原始聚合物膜的孔結構和粗糙度；而在膜后側復合親水的氧化石墨烯，可增強膜滲透側冷凝收集性，從而實現更高的脫鹽性能。Zahirifar 等[57]在PVDF膜表面涂覆一層十八胺功能化氧化石墨烯（GO-ODA）薄膜層，制備了一種新型結構的雙層膜（圖8），提高了膜的表面粗糙度和疏水性。在AGMD過程中，以3.5%NaCl 水溶液為原料，在80℃下未改性和新型雙層膜的水通量分別為18.2kg/m2·h 和16.7kg/m2·h，截鹽率分別為88.5%和98.3%。此外，高疏水性和低熱導率的GO-ODA 薄膜有助于降低膜表面的孔潤濕性、溫度極化和熱擴散系數。

圖8 十八胺修飾的氧化石墨烯/聚偏氟乙烯復合雙層膜結構［57］

Intrchom 等[58]提出將親水GO 復合在PP 支撐的PTFE 膜滲透側表面，制備一種增強水蒸氣冷凝透過的DCMD 膜。通過固定GO 來改善PTFE 滲透側的親水性，以促進水蒸氣的快速冷凝和排出，結果發現當進料鹽濃度為10000mg/L時，在80℃下水通量高達64.5kg/m2·h，比未改性的膜通量高了15%。

3.3 石墨烯純膜

圖9 聚甲基丙烯酸甲酯模板法輔助化學氣相沉積法制備石墨烯純膜過程示意圖［33］

目前，主要采用化學氣相沉積法和激光誘導法制備疏水石墨烯純膜用于膜蒸餾脫鹽。Dong等[33]通過化學氣相沉積制備了疏水石墨烯薄膜（圖9）用于直接接觸式膜蒸餾中脫鹽，通過多層、錯配、部分重疊的石墨烯晶粒的納米通道實現了水分子的快速滲透。石墨烯純膜表面多個區域的域邊界輕微重疊，這些由不匹配和重疊的石墨烯域形成的納米通道將有助于水蒸氣的快速傳輸，水蒸氣在石墨烯薄片之間傳輸時，流動阻力顯著降低，并且石墨烯局部納米級的起皺會增加石墨薄膜的表面粗糙度，產生獨特的的表面微觀結構，以促進水蒸氣的進入和快速滲透。該類膜與商業化的疏水膜相比，在水通量和截鹽率方面具有較大優勢，并在處理含有污染物（如油和表面活性劑）的鹽水過程中，經過72h仍展現出良好的抗污染能力。目前所報道的CVD法制備的石墨烯純膜在膜蒸餾性能測試時，能夠保證石墨烯膜結構和分離性能的穩定性。但在膜制備過程中，模板劑的轉移與去除容易發生膜的脆斷和脫落等問題。

表1 石墨烯材料應用于膜蒸餾脫鹽性能匯總

Backhouse 等[59]采用激光誘導法制備可控潤濕性的石墨烯表面，表面水接觸角最高達176°，這種超疏水表面被設計制備成多孔疏水膜，用于氣隙式膜蒸餾脫鹽，在測試幾個月的時間內，未出現膜結構破壞或超疏水性的喪失，論證了激光誘導法制備疏水石墨烯膜的可行性。

表1匯總了近年來基于石墨烯材料制備的疏水膜在膜蒸餾脫鹽中的分離性能。石墨烯混合基質疏水膜，通常以聚合物作為主體膜材料、石墨烯作為納米填料，膜制備工藝相對成熟，相比于商業化膜，具有更高的脫鹽性能；石墨烯復合疏水膜，一定程度上能充分發揮二維石墨烯的優異傳質特性，但石墨烯膜層與聚合物膜層之間的界面結合性等問題不容忽視；石墨烯純膜用于膜蒸餾脫鹽過程機理相對清晰，分離性能較高且不依附于其他膜材料，石墨烯膜結構相對可控，但目前制備疏水石墨烯純膜的方法成本較高、操作比較復雜，其實際應用仍面臨挑戰。

4 結語

本文綜述了疏水石墨烯在膜蒸餾脫鹽中的最新研究進展。簡述了膜蒸餾技術的研究現狀及石墨烯材料的疏水性質；概括了疏水石墨烯膜的制備方法（模板輔助化學氣相沉積法、激光加工法、拉伸褶皺法、功能化修飾及靜電紡絲法）；綜述了石墨烯混合基質膜、石墨烯復合膜及石墨烯純膜在膜蒸餾脫鹽中的應用進展。

然而，疏水石墨烯用于膜蒸餾脫鹽仍處于初步的基礎研究階段，未來可從以下幾個方面進一步推進該方向的發展：①建立石墨烯用于膜蒸餾脫鹽的傳質理論模型；②進一步提升石墨烯疏水膜的脫鹽性能；③設計制備穩定疏水的多孔石墨烯膜。