DOI: 10.1016/j.memsci.2023.121554

生物水通道（BWCs）和人工水通道（AWCs）表现出优异的水和离子选择性。然而，膜集成困难阻碍了其脱盐应用。受生物细胞膜的启发，研究者将空气纳米气泡附着在聚丙烯腈（PAN）纳米纤维层之间的氟化碳纳米管（ANBs-FCNTs）夹层上，制备出一种超快渗透脱盐膜。经正向渗透（FO）和膜蒸馏（MD）的不同组合模式证实，通过纳米气泡门控的选择性输送和纳米气泡润滑的低摩擦水通道加速了通过纳米气泡水通道的水传输。高效的纳米气泡门控实现了优异的脱盐效果，这是由于尺寸筛选、快速表面滑移、静电屏蔽和ANBs-FCNTs夹层的充分吸附的综合作用。在纳米流体二极管膜串联模型中，多级毛细管力提供了增强的水通量，而多级串联层为离子扩散提供了更多的屏障门控，从而达到更高的渗透选择性。仿生纳米气泡膜具有较高的水通量（479.8L/m²/ h）、对溶质的高截留率（>95%）和低反向盐通量（0.686g/m²/h），其性能优于现有的正渗透膜。总体而言，电纺丝和沉积技术可用于脱盐、资源及能源生产的可扩展膜制备。

图1.PFP和P（SP）n（n=1,2,3）膜的制备。（a）PFP膜的制备工艺图解。（b）F-SWCNT（顶部）和F-MWCNT（底部）的图示和（c）TEM图像。（d）含15mL分散体的F-SWCNT层（上）和F-MWCNTs层（下）的上表面和（e）横截面SEM图像。（d）中的插图分别显示了F-SWCNTs层和F-MWCNTs层的抗润湿性。（f）P（SP）n（n=1,2,3）膜的图示（左）和等效电路（右）。

图2.空气纳米气泡吸附F-CNTs层。（a）空气中F-SWCNTs层的SPM图像；（b）水下纳米气泡吸附F-SWCNTs层的SPM图像；（c）乙醇（99.9%）下F-SWCNTs层的SPM图像，扫描尺寸为2µm×2µm。（b）中的插图显示了F-SWCNTs层上ANBs的横截面轮廓。（d）在标准温度和压力（STP、273K和101.325kPa）下，通过BET试验测量的F-SWCNTs和F-MWCNTs的N₂吸附等温线。

图3.膜分离性能。（a）PFP（FS：DI水；DS：0.5M NaCl）和（b）P（SP）n（n=1,2,3）膜（FS：DI水；DS：1M NaCl）的纯水通量和反盐通量。（c）PFP和（d）P（SP）n（n=1,2,3）膜的截留性能（FS：0.1M MgCl2，0.1M LiCl，0.1M Na₂SO₄，10wt%BSA和20ppm EDS溶液；DS：1M NaCl）。对于所有测试，P12支撑层面向进料溶液（P12-FS取向）。

图4.膜耐久性。水通量与操作时间的函数关系：（a）PFP膜（FS：DI水；DS：0.5M NaCl），（b）P（SP）n（n=1,2,3）膜（FS：DI水；DS：1M NaCl）。反盐通量与操作时间的函数关系：（c）PFP膜（FS：DI水；DS：0.5M NaCl），（d）P（SP）n（n=1,2,3）膜（FS：DI水；DS：1M NaCl）。对于所有测试，P12支撑层面向进料溶液（P12-FS方向）。

图5.ANBs-FCNT层中的水传输过程。（a）P12S15P3膜和（b）P12M15P3膜在四种模式（FO模式、MD模式、FO+MD模式和FO-MD模式）下的水通量和反盐通量。对于所有测试，P12层面向进料溶液（P12-FS取向）。（c）当空气层连续时和（d）当空气层不连续时PFP膜的水传输过程示意图：FO模式（FS：DI水，25℃；DS：0.5M NaCl，25℃），MD模式（FS：DI水，25℃；DS：DI水,15℃），FO+MD模式（FS：DI水，25℃；DS：0.5M NaCl，15℃），FO-MD模式（FS：DI水，15℃；DS：0.5M NaCl，25℃）。白色箭头表示由部分蒸汽压差（PF-PD=57.0Pa）或纯水蒸汽压差（∆P0=1462.3Pa）驱动的水蒸汽输送。蓝色箭头表示渗透压差（∆π=2.48×106Pa）驱动的液态水输送。

图6.ANBs-FCNTs夹层中可能的脱盐行为示意图。