近日，重庆大学能源与动力工程学院刘浪教授课题组在环境领域权威期刊《Environmental Science & Technology》发表题为“Unveiling Exceptional Membrane Distillation Performance via a Wettability Transition in Covalent Organic Frameworks”的研究论文。该研究针对传统膜蒸馏技术在处理高盐废水时通量低、抗污能力差等瓶颈问题，通过设计具有浸润性转变特性的共价有机框架膜，实现了渗透性能与运行稳定性的协同提升。研究团队采用原位生长结合碱诱导可逆水解策略，在PVDF基膜上构建了亲水-疏水梯度分布的COF膜孔道结构。该结构将液-气相变界面移至膜孔道内部，显著缩短水蒸气传输路径；同时，水解引入的亲水基团降低了界面蒸发焓，孔道内正电荷层有效排斥钙离子与表面活性剂，赋予膜优异的多重抗污能力。该研究的主要结论如下：

1.创纪录的渗透通量：在处理高盐废水时，该COF膜的通量达到185.86 L/(m²·h)，约为商用聚四氟乙烯膜的3.9倍，创下新高。

2.高效的抗污性能：在处理含油和表面活性剂的复杂高盐废水时，该膜在12小时内通量衰减仅10.06%（商用膜衰减30.83%），盐截留率始终高于99.99%。

3.明晰的作用机理：研究发现，通量提升主要归因于亲水-疏水梯度结构缩短了蒸汽传输路径，且亲水基团降低了界面蒸发能垒；抗污性则源于表面水合层与孔道内正电荷对污染物和钙离子的双重排斥作用。

图1. 用于制备润湿性转变COF薄膜的可逆水解过程示意图 

图2. COF薄膜的结构表征。(a,b) PVDF和COFDT-0.1薄膜的扫描电子显微镜图像；(c,d) COFDT-0.1薄膜的截面扫描电子显微镜图像及其5倍放大图；(e,f) PVDF薄膜(e)与COFDT-0.1薄膜(f)的原子力显微镜图像；(g) COFDT-0.1膜的BET吸附等温线；(h) COFDT-0.1与COFDT膜的BET孔径分布；(i) COFDT薄膜的掠入射广角X射线散射图像；(j) 经不同浓度NaOH溶液处理的COFDT及COFDT-X膜的全反射傅里叶变换红外光谱。

图3. 单组分溶液的蒸馏性能。(a) COFDT、COFDT-0.05 和 COFDT-0.1 膜处理 3.5 wt% NaCl 溶液的蒸馏性能（供给液温度 80℃，冷侧温度 15℃）；(b) COFDT-0.1 膜与文献报道的其他膜的性能评述与对比（供给液温度 80℃，渗透侧冷却水温度 15℃）；(c) PTFE 膜与 COFDT-0.1 膜在不同热侧温度下的通量对比（3.5 wt% NaCl 溶液，冷侧温度固定为 15℃）；(d,e) PTFE 膜与 COFDT-0.1 膜处理 (d) 5 g/L CaCl₂·2H₂O 溶液和 (e) 35 g/L CaCl₂·2H₂O 溶液的性能（供给液温度 80℃，渗透侧冷却水温度 15℃）。

图4. 混合溶液处理的蒸馏性能（供给液温度保持80℃，冷却水温度固定为15℃）。(a) COFDT、COFDT-0.05、COFDT-0.1膜及PTFE膜处理含3.5 wt% NaCl与500 ppm矿物油乳液的蒸馏性能；(b) 油滴在膜表面污染的示意图；(c) 十二烷基硫酸钠对膜蒸馏过程影响的示意图；(d,e) PTFE膜与COFDT-0.1膜处理(d)含3.5 wt% NaCl与0.1 mM SDS的溶液；(e)含3.5 wt% NaCl、500 ppm矿物油及0.1 mM SDS的溶液的性能。

图5. 润湿性转变COF薄膜通量增强的机理分析。(a) COFDT-0.1膜孔道内Ca²⁺浓度示意图及经钙离子溶液膜蒸馏处理后COFDT-0.1膜中钙元素含量的深度分布；(b) 3.5 wt% NaCl溶液蒸发的模拟设置，其中Pore 1代表传统疏水直通道，Pore 2为疏水过渡通道，Pore 3为亲水表面过渡通道，Pore 4为带电荷的亲水过渡通道；(c) 不同孔道结构下水分子蒸发速率随时间的变化；(d) 不同孔道结构下沿通道方向水分子间氢键数量；(e) 气-液界面氢键的平均寿命；(f) 不同孔道中水分子蒸发的平均力势曲线；(g) 差示扫描量热法测定的膜表面水蒸发过程中热流随温度的变化；(h) 不同孔道结构下的离子数密度。