聚偏氟乙烯直通孔“兩面神膜”,太陽能海水淡化膜或將規模化制備

聚偏氟乙烯直通孔“兩面神膜”,太陽能海水淡化膜或將規模化制備

近期,浙江大學徐志康帶領的聚合物分離膜及其表界面工程研究團隊采用取向冷卻結晶模板法制備瞭PVDF膜,再經過多步反應最終獲得瞭具有不對稱親/疏水性的光熱“兩面神”膜。在海水淡化方面具有優良性能,為緩解淡水危機提供瞭一種綠色、高效的解決方案。相關研究以“Janus Poly(Vinylidene Fluoride) Membranes with Penetrative Pores for Photothermal Desalination”為題發表在Research(2020,DOI :10.34133/2020/3241758)上。該工作得到瞭國傢自然科學基金(51673166,51803180)的資助。

聚偏氟乙烯直通孔“兩面神膜”,太陽能海水淡化膜或將規模化制備

研究背景

世界人口的不斷增加和城市化進程的不斷加快,使得淡水資源短缺日益成為全球面臨的嚴峻挑戰。利用清潔的太陽能對海水進行加熱―蒸發―冷凝,是獲取清潔淡水資源的新途徑。近幾年發展的太陽能界面加熱技術利用光熱轉換材料將吸收的太陽光能直接、高效地轉化為熱能,並在空氣/水界面處聚集,能夠有效避免熱量擴散至水體,從而獲得較高的海水淡化效率。天然木材和陽極氧化鋁膜具有高度規則排列的直通孔結構,為水分蒸騰提供瞭直接通道,將它們與光熱材料復合所制備的太陽能蒸發器已被嘗試用於海水淡化。然而,這些材料不易加工、難於規模化制備且不易調控孔結構與性能,在實際應用中仍存在局限性。直接利用商業化聚合物多孔膜為基體,對其進行光熱功能化改性來制造太陽能蒸發器,被認為是一種具有規模化應用前景的方案。以穩定性優良且商業化程度較高的聚偏氟乙烯(PVDF)膜為例,通過相分離法獲得的雙連續孔道具有蜿蜒曲折的特征,相比直通孔來說,不利於水分傳遞和蒸汽逃逸。因此,調控聚合物膜的孔道結構,加快水分傳遞與蒸發效率,是開發高性能太陽能蒸發膜材料的關鍵。

聚偏氟乙烯直通孔“兩面神膜”,太陽能海水淡化膜或將規模化制備

研究現狀及展望

浙江大學徐志康帶領的聚合物分離膜及其表界面工程研究團隊(http://siepm.zju.edu.cn/)采用前期發展的取向冷卻結晶模板法(J. Membr. Sci., 2017, 529, 47-54; ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2016, 8, 14174–14181),以PVDF為原料,通過構建雙向溫度梯度誘導二甲基砜溶劑在高分子基質中定向結晶,經脫除溶劑晶體後所獲得的PVDF膜具有沿膜厚度方向高度取向的貫穿孔結構,且具有不對稱的錐形孔特征。利用化學氣相沉積再將光熱聚合物聚吡咯(PPy)均勻地沉積在膜孔壁表面,即可獲得光熱轉換功能。進一步在不對稱表面工程理念(Adv. Mater. Interfaces 2020, 1902064; J. Mater. Chem. A, 2019,7, 7907-7917)的指導下對膜進行單側親水化修飾。將膜漂浮在多巴胺水溶液表面,在CuSO4/H2O2(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 3054-3057)的調控下,親水性聚多巴胺納米塗層逐漸在膜孔壁形成,最終獲得瞭具有不對稱親/疏水性的光熱“兩面神”膜(圖1)。

聚偏氟乙烯直通孔“兩面神膜”,太陽能海水淡化膜或將規模化制備
圖1   具有直通孔結構的PVDF光熱“兩面神”膜制備與海水淡化過程示意圖

將該膜的親水側與水接觸,而另一側由於呈疏水性,可使其漂浮於水面。疏水層沉積的PPy可原位將太陽光能轉化為熱能,而親水孔道能夠將水源源不斷地泵送至界面處進行蒸發。利用錐形孔的多級散射效應,該膜可將太陽能利用效率提升至97%,在一個太陽光輻照下(1 kW·m-2),膜表面溫度迅速升高至41℃。同時,該膜獨特的直通孔結構為水傳遞和蒸汽逃逸提供瞭最直接的通道,可實現高達1.08 kg·m-2·h-1的水蒸發速率。研究團隊進一步將該膜與隔熱聚氨酯泡沫進行復合,制備瞭一種太陽能海水淡化裝置。利用泡沫的低熱導率特性極大地抑制瞭熱量向水體擴散,減少瞭熱量損耗,其光熱轉換效率提升至90.2%。同時,膜與泡沫之間夾層的吸水紙可將水輸送至膜表面進行蒸發,其速率達到1.58 kg·m-2·h-1。經該裝置對海水進行脫鹽處理後,水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+和B3+五種離子的濃度均降至1 ppm以下,符合世界衛生組織頒佈的飲用水標準,有力地證明瞭直通孔“兩面神”膜光熱材料在海水淡化方面的優良性能,為緩解淡水危機提供瞭一種綠色、高效的解決方案,且膜制備過程簡便可控,具有廣闊的規模化應用前景。

聚偏氟乙烯直通孔“兩面神膜”,太陽能海水淡化膜或將規模化制備

相关新闻