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持续提供安全、清洁和廉价的水对人类福祉和可持续发展至关重要。光热膜蒸馏（PMD）技术是一种利用太阳能提供动力，通过光热效应在膜-进料水界面进行局部加热，在跨PMD膜的温差驱动下，以高孔隙率疏水膜为分离介质，将盐水侧的淡水经过“蒸发-传递-冷凝”三步进入冷侧，从而实现利用绿色能源浓缩盐水、产出淡水的一种“零能耗”海水淡化方法。与其他脱盐技术相比，它具有传统膜蒸馏（MD）技术出水水质高、运行压力低等优势，并缓解了MD技术温差极化现象、进一步降低能耗，成为了最有前景的海水淡化技术之一。然而，在实际应用中，制备具有高光热转换效率、低传质阻力的光热复合仍膜面临着多种挑战。
近日，天津工业大学康卫民教授团队在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Multi-scale pore structured porous carbon nanofiber with light-limited domains for highly efficient photothermal membrane distillation”。本文第一作者为纺织科学与工程学院研究生张妍和博士研究生史佳丽。
研究者基于课题组前期对于蜂巢多孔碳纳米纤维[Micropor Mesopor Mat , https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2016.10.024]、“层间荷叶”体相超疏水纳米纤维膜[J. Membr. Sci，https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118420] 的研究基础，通过静电纺丝和真空自组装，制备出了由羟基化蜂巢多孔碳纳米纤维（PCNFs-OH）、高强对位芳纶（PPTA）支撑层与超疏水聚四氟乙烯/聚酰胺（PTFE/PI）体相超疏水纳米纤维膜组成的具有高光热转换效率、低传质阻力的PCNFs-OH@PPTA /PTFE-PI光热复合膜。该光热复合膜在1kW·m-2的光照下，光热转换效率高达91.8%。这得益于具有多尺度孔结构的蜂巢状PCNFs-OH的光限域作用，当太阳光照射在PCNFs-OH时，入射光不会反射到环境中，而是经过多次内部反射，可以有效地增加光程，实现高光热转换效率。具有优异力学性能的PPTA通过真空自组装，可以使光热颗粒更加稳定地固定在基材上，而不会堵塞膜孔。此外，静电纺丝所制备的PTFE/PI体相超疏水纳米纤维膜具有高孔隙率，为PMD的长期运行奠定了基础。
图1：PCNFs-OH@PPTA /PTFE-PI光热复合膜的制备示意图。
本研究通过静电纺丝技术和真空自组装所制备的PCNFs-OH@PPTA /PTFE-PI光热复合膜，从SEM图像可以观察到纤维膜表面多孔碳分布均匀，PPTA可以在不影响PCNFs-OH光学性能的前提下为其提供良好的支撑。通过截面图可以看出光热层#PCNFs-OH@PPTA薄且相对均匀地附着在纤维膜表面，通过TEM图可以观察到PCNFs-OH表面的多尺度孔结构。
图2：a-d不同浓度的PCNFs-OH@PPTA /PTFE-PI膜的电镜图；e-f PTFE/PI纤维膜电镜图；g-h PPTA和PCNFs-OH的透射电镜图。
在1kW·m-2的光照下，当PCNFs-OH的负载量从0.05 M增加到0.2 M时，所制备的光热复合膜在240 ~ 2600 nm全光谱范围内的吸光度从89.7%增加到95.5%，不同负载量的光热复合膜在60s内迅速升温至57.1℃到78.7℃，在180s时稳定在63.8℃到80.2℃。负载了光热材料的光热复合膜展现出优异的吸收性能，这归因于多孔碳具有较优的光吸收能力，其内部多级孔的存在可以起到光限域的作用。当太阳光照射到光热复合膜表面时，入射光不会被反射到环境中，而是会进行多次内部反射，从而有效地增加了光路。#PCNFs-OH@PPTA-0.1/M光热复合膜的光热转换效率高达91.8%。
图3 光热复合膜的紫外图及升温图
图4 不同负载量的光热复合膜的红外热成像图
#PCNFs-OH@PPTA-0.1/m光热复合膜在1kW·m-2的光照下，高浓度盐水（150 g·L-1）中进行80h的长期运行可保持约1.89.01 L·m⁻²·h⁻¹的渗透通量。在模拟海水（35 g·L-1）和复杂油污水中，70h的长周期内保持约4.01 L·m⁻²·h⁻¹的高通量，在处理各种浓度的盐水（15 g·L-1、25 g·L-1、35 g·L-1、150 g·L-1和250 g·L-1 NaCl）和复杂的油体系时，截盐效率均能达到99.99%。这得益于制备的#PCNFs-OH@PPTA-0.1/M光热复合膜是一种具有亲疏水结构的光热复合膜。与相同厚度的超疏水膜相比，传递路径变小，有效降低了膜的传质阻力，更有利于水蒸气的蒸发。亲水层中的PCNFs-OH具有较高的比表面积，多孔结构的存在实现了大量的传输通道，可以保证稳定的传质驱动，体相超疏水纳米纤维PTFE/PI基底膜孔隙率高、力学性能优异、耐润湿性能优异，能为PMD的长期稳定运行提供基础。
图5 #PCNFS-OH@PPTA -0.1/M膜在油污中的长期稳定性
总体而言，蜂巢状的PCNFs-OH、高强PPTA所组成的光热层和体相超疏水纳米纤维PTFE/PI基底膜的集成制备的#PCNFs-OH@PPTA/PTFE-PI光热复合膜使得光热复合膜具有多尺度孔结构，起到光限域的作用，可以实现91.8%的高光热转换效率，缓解温度极化，保证渗透通量的稳定性，为PMD的长期运行奠定基础。这些研究结果为静电纺丝电纺膜与碳材料结合在光热膜蒸馏中处理高浓度盐水和复杂含油废水的应用奠定了基础，有望在其他复杂含油和含盐体系的处理中发挥更大的作用。
图6 光热复合膜的传热传质原理图
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129984
人·物·简·介
康卫民，天津工业大学纺织科学与工程学院教授、博士生导师，中国纺织学术带头人、天津市中青年科技领军人才、全国纺织青年科技创新领军人才、天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选、天津市创新能手、天津市优秀科技工作者、天津市“向上向善好青年”。康卫民教授长期从事纳微纤维材料理论研究、制备技术及应用开发，先后主持或参与国家级项目12项，省部级和企业项目30余项，研究成果荣获国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项及省部级奖7项。
鞠敬鸽，天津工业大学纺织科学与工程学院教师、硕士生导师，中国科协青年托举人才，全国优秀创新创业博士后、山东省取得突出成绩博士后。主要从事能源环境用静电纺功能微纳纤维非织造材料研究工作。
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