江南大学付少海教授团队CEJ：在太阳能海水淡化领域取得进展

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近年来，饮用水短缺和淡水资源分配不平衡已成为迫在眉睫的危机。同时，船用燃油的泄漏以及工业和生活污水的随意排放造成了大量以油水混合型为主的废水污染。太阳能蒸汽发生装置作为一种有效的海水淡化方法，经常被用于污水的净化。虽然太阳能驱动海水淡化的发展已经取得了有效的进展，但仍需要解决含油海水带来的挑战，特别是纳米/亚微米乳液的处理。如果含油废水或乳液直接进入光热材料内部，有机污染物会堵塞毛细管通道，造成不可避免的污垢，导致蒸发性能和使用寿命显著降低。同时，在含油污水处理技术中，利用超浸润滤膜对油/水溶液进行有效过滤和分离被认为是成熟的工艺。因此，如何结合超浸润系统与界面蒸发技术来实现含油海水净化成为一个具有挑战性的难题。

基于前期对超浸润体系及太阳能蒸汽发生装置的研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 17004; ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 50113−50125; Chem. Eng. J. 2021, 423, 129099; Chem. Eng. J. 2021, 427, 131618.)，作者通过简单温和的席夫碱反应和真空辅助过滤技术，制备了具有不同碳纳米管比例的纤维素基双功能复合膜材料，可实现太阳能驱动脱盐和乳液过滤分离（图1）。

图1. 复合膜的合成路线及应用示意图

复合膜材料上交联的碳纳米管具有良好的光热转换效果，在全太阳光谱中可提供高达97%的优异光吸收。当复合膜用于界面水蒸发时，提出了一种新的堆叠策略，可以构建二维水运输通路以减少热量损失（图2）。太阳能蒸汽发生装置的表面温度与蒸发性能之间存在潜在的竞争关系。随着光动力的增加，材料表面温度升高，蒸发速度加快。然而，较低的材料表面温度可以减少对流和辐射的热损失，从而提高蒸发效率。这种矛盾可以通过我们的叠加策略加以理性化。较高的光热材料表面温度可以促进局部蒸发速率，但过高的表面温度会造成膜表面相对干燥的区域，而增强的供水系统将保持膜表面的湿润状态。由于水的连续输送和泡沫的隔热，可以将膜材料的温度保持在一个稳定的水平，从而提高了太阳能蒸发效率。所提出的叠加策略具有改善供水的优势，对一般界面蒸发膜材料具有先进的启示。

图2. 复合膜的界面水蒸发

由于复合膜具有微纳米尺度的粗糙结构和两亲润湿性，可以实现液下超浸润现象，即水下超疏油和油下超疏水。在实际含油废水的处理中，稳定的油水乳液一直是亟待解决的问题。在真空泵的作用下，利用超浸润复合膜实现了表面活性剂稳定型水包油乳液和油包水乳液的分离。通过过滤分离获得的水的COD值远低于海洋开发的排放标准。同时，油包水乳状液分离后，油纯度可达> 99.9%（图3）。基于此，这种双功能膜材料被用于设计一种高效净化含油海水的集成式装置。海水包油乳液可以先通过预处理分离器去除油污，再通过稳定的局部太阳加热去除盐离子，以获得干净的水资源。此外，制备的双功能膜材料可以在多云或夜间通过辅助分离策略净化含油废水，并在阳光照射时通过太阳能淡化海水，从而实现在全天候条件下生产洁净水以应对不同环境和气候下的水危机。

图3. 复合膜对水包油乳液和油包水乳液的过滤分离

综上所述，作为一种可扩展、易于制造、高效的平台，纤维素和碳纳米管在化学和物理上合理结合，制备了超浸润光热膜材料。这种多功能复合膜实现了超润湿系统与太阳能驱动界面蒸发的有效结合，有望解决海洋污染和水资源短缺的问题。

该研究成果以“Bifunctional superwetting carbon nanotubes/cellulose composite membrane for solar desalination and oily seawater purification”为题发表于Chemical Engineering Journal (DOI:10.1016/j.cej.2021.133510)。论文第一作者为江南大学纺织科学与工程学院朱若斐博士，通讯作者为刘明明副研究员和付少海教授。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721050841

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