近年来,社会和经济的发展一方面增加了对能源和水资源的需求,另一方面也加剧了对水环境的污染。膜蒸馏技术可以利用低品位的余热和废热对难处理的高盐废水进行处理得到高品质淡水,在减少水体环境污染的同时,还有助于缓解水资源匮乏和能源危机。膜蒸馏(Membranedistillation,MD)技术用于处理高浓盐水的工业化应用还需要解决的关键问题是提高膜通量以及克服膜结垢和润湿。本研究从材料创新的角度出发,利用纳米纤维膜的高孔隙率、高粗糙度和再凹陷结构的特点,通过结构改进、性能强化以及表面改性,制备了高通量率、抗结垢、抗润湿的新型纳米纤维膜用于实现高效和稳健的膜蒸馏过程,推动膜蒸馏过程的实际应用,主要研究内容和结果如下:(1)结合纳米纤维膜的高孔隙率和中空纤维膜高填充密度的优点,设计和制备了一种新型的基于纳米纤维组装的中空纤维膜(Nanofibers covered hollow fiber membranes,N-HFM)。进一步利用非旋转线电极作为接收器,开发了可以适用于连续化和规模化制备N-HFM的新技术,且通过对纺丝过程纤维运动轨迹的研究,探讨了该技术将纳米纤维组装为N-HFM的基本原理。通过对纺丝过程条件参数的系统性研究,发现要制备结构和形貌理想的N-HFM,需要严格调控纺丝过程正、负电压和纺丝液给料流速的大小。得益于高孔隙率,N-HFM的通量远高于其他传统方法制备的中空纤维膜和平板膜。(2)针对纳米纤维膜普遍存在的纤维堆积松散、孔径分布不均匀、机械强度差的不足,开发了一种增强纳米纤维机械强度和调控孔径分布的快捷方法:稀溶剂焊接法。主要原理是利用聚合物的非溶剂组分稀释其溶剂组分得到混合溶液(焊接液),使混合溶液对聚合物在室温下不溶解,而在加热后局部微溶来对纤维进行焊接和孔径分布重排。研究了焊接液组成、焊接温度和时间对焊接效果的影响,对比了焊接前后膜的形貌、孔径分布、孔隙率、机械强度、热分解曲线、结晶度和晶型等性质的的变化。研究表明稀溶剂焊接法是一种快捷的提高纳米纤维膜机械强度和孔径分不均匀性的后处理方法。膜蒸馏测试发现经过焊接处理后的N-HFM膜和处理前相比,通量变化不大,但是过程稳定性大大提高。(3)以水溶性的聚氧乙烯(Polyethylene oxide,PEO)作为聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)的载体,通过非旋转线电极静电纺丝和烧结制备了纯PTFE材质的N-HFM膜。研究得出纺丝液中PEO和PTFE最优质量比为8/92。研究了不同烧结温度对膜形貌、化学性质、疏水性和机械强度等的影响。所制备的PTFE材质的N-HFM膜的膜蒸馏通量分别为商业和文献报道的PTFE中空纤维膜通量的4.6～8.8和3.6～11.6倍,且在长时间的变温度、料液流速和盐浓度的实验中也表现了非常稳定的性能,证明该膜具有较大的实际应用前景。(4)针对膜蒸馏处理高浓盐水时存在的膜结垢问题,开发了一种基于电纺丝/喷雾技术(ES2)和蒸汽焊接方法制备高通量和抗结垢污染的纳米纤维滑移膜。ES2工艺通过同步层层沉积纳米纤维和具有多级粗糙的结构微球,形成独特的纳米纤维缠绑微球结构,通过焊接后纳米纤维和微球之间形成紧密的粘结,增强了膜的强度和疏水稳健性。盐溶液浓缩实验显示,所制备的滑移膜相对于作为参照的疏水膜具有显著的缓解无机盐结垢污染的能力。基于滑移膜表面在水下存在的被束缚的气层,提出了使溶液处于Cassie-Baxter状态(低滚动角)的超疏水膜(或称滑移膜)用于缓解膜结垢的三种作用机理:减少液-固接触面积,降低膜面形成异相结晶的倾向,减少溶液中离子和膜面相互作用时间。(5)针对疏水膜在处理含有低表面能物质的高浓盐水同时存在的膜润湿和膜结垢问题,提出通过复合表面改性(同时赋予膜滑移性和全疏性)来实现膜蒸馏稳定处理这类复杂废水。通过在具有再凹陷结构的纳米纤膜基膜上真空过滤涂覆氟化聚倍半硅氧烷(Fluoride-propyltriethoxysilane,F-POSS)和聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)混合溶液,制得一种同时具备低滚动角和全疏性表面的膜(或称滑移-全疏膜)。该膜在膜蒸馏处理含有低表面能物质的高浓盐水过程中展现了高度的抗结垢和抗润湿性能。