聚偏氟乙烯直通孔“两面神膜”,太阳能海水淡化膜或将规模化制备

聚偏氟乙烯直通孔“两面神膜”,太阳能海水淡化膜或将规模化制备

近期,浙江大学徐志康带领的聚合物分离膜及其表界面工程研究团队采用取向冷却结晶模板法制备了PVDF膜,再经过多步反应最终获得了具有不对称亲/疏水性的光热“两面神”膜。在海水淡化方面具有优良性能,为缓解淡水危机提供了一种绿色、高效的解决方案。相关研究以“Janus Poly(Vinylidene Fluoride) Membranes with Penetrative Pores for Photothermal Desalination”为题发表在Research(2020,DOI :10.34133/2020/3241758)上。该工作得到了国家自然科学基金(51673166,51803180)的资助。

聚偏氟乙烯直通孔“两面神膜”,太阳能海水淡化膜或将规模化制备

研究背景

世界人口的不断增加和城市化进程的不断加快,使得淡水资源短缺日益成为全球面临的严峻挑战。利用清洁的太阳能对海水进行加热―蒸发―冷凝,是获取清洁淡水资源的新途径。近几年发展的太阳能界面加热技术利用光热转换材料将吸收的太阳光能直接、高效地转化为热能,并在空气/水界面处聚集,能够有效避免热量扩散至水体,从而获得较高的海水淡化效率。天然木材和阳极氧化铝膜具有高度规则排列的直通孔结构,为水分蒸腾提供了直接通道,将它们与光热材料复合所制备的太阳能蒸发器已被尝试用于海水淡化。然而,这些材料不易加工、难于规模化制备且不易调控孔结构与性能,在实际应用中仍存在局限性。直接利用商业化聚合物多孔膜为基体,对其进行光热功能化改性来制造太阳能蒸发器,被认为是一种具有规模化应用前景的方案。以稳定性优良且商业化程度较高的聚偏氟乙烯(PVDF)膜为例,通过相分离法获得的双连续孔道具有蜿蜒曲折的特征,相比直通孔来说,不利于水分传递和蒸汽逃逸。因此,调控聚合物膜的孔道结构,加快水分传递与蒸发效率,是开发高性能太阳能蒸发膜材料的关键。

聚偏氟乙烯直通孔“两面神膜”,太阳能海水淡化膜或将规模化制备

研究现状及展望

浙江大学徐志康带领的聚合物分离膜及其表界面工程研究团队(http://siepm.zju.edu.cn/)采用前期发展的取向冷却结晶模板法(J. Membr. Sci., 2017, 529, 47-54; ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2016, 8, 14174–14181),以PVDF为原料,通过构建双向温度梯度诱导二甲基砜溶剂在高分子基质中定向结晶,经脱除溶剂晶体后所获得的PVDF膜具有沿膜厚度方向高度取向的贯穿孔结构,且具有不对称的锥形孔特征。利用化学气相沉积再将光热聚合物聚吡咯(PPy)均匀地沉积在膜孔壁表面,即可获得光热转换功能。进一步在不对称表面工程理念(Adv. Mater. Interfaces 2020, 1902064; J. Mater. Chem. A, 2019,7, 7907-7917)的指导下对膜进行单侧亲水化修饰。将膜漂浮在多巴胺水溶液表面,在CuSO4/H2O2(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 3054-3057)的调控下,亲水性聚多巴胺纳米涂层逐渐在膜孔壁形成,最终获得了具有不对称亲/疏水性的光热“两面神”膜(图1)。

聚偏氟乙烯直通孔“两面神膜”,太阳能海水淡化膜或将规模化制备
图1   具有直通孔结构的PVDF光热“两面神”膜制备与海水淡化过程示意图

将该膜的亲水侧与水接触,而另一侧由于呈疏水性,可使其漂浮于水面。疏水层沉积的PPy可原位将太阳光能转化为热能,而亲水孔道能够将水源源不断地泵送至界面处进行蒸发。利用锥形孔的多级散射效应,该膜可将太阳能利用效率提升至97%,在一个太阳光辐照下(1 kW·m-2),膜表面温度迅速升高至41℃。同时,该膜独特的直通孔结构为水传递和蒸汽逃逸提供了最直接的通道,可实现高达1.08 kg·m-2·h-1的水蒸发速率。研究团队进一步将该膜与隔热聚氨酯泡沫进行复合,制备了一种太阳能海水淡化装置。利用泡沫的低热导率特性极大地抑制了热量向水体扩散,减少了热量损耗,其光热转换效率提升至90.2%。同时,膜与泡沫之间夹层的吸水纸可将水输送至膜表面进行蒸发,其速率达到1.58 kg·m-2·h-1。经该装置对海水进行脱盐处理后,水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+和B3+五种离子的浓度均降至1 ppm以下,符合世界卫生组织颁布的饮用水标准,有力地证明了直通孔“两面神”膜光热材料在海水淡化方面的优良性能,为缓解淡水危机提供了一种绿色、高效的解决方案,且膜制备过程简便可控,具有广阔的规模化应用前景。

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