Преобразование внутренней гидрофильности Ti3C2Tx MXene в супергидрофобность для эффективного опреснения фототермической мембраны.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3315 (2022) Цитировать эту статью

6875 Доступов

22 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Благодаря своей теоретической способности к 100% удалению солей мембранная дистилляция (МД) стала многообещающим методом опреснения морской воды для решения проблемы нехватки пресной воды. Идеальный MD требует высокого потока парового пермеата, определяемого межмембранным температурным градиентом (∆T), и превосходной долговечности мембраны. Однако трудно поддерживать постоянное значение ∆T из-за присущих потерь тепла на стороне питательной воды, возникающих в результате непрерывного перехода воды в пар, и предотвращать загрязнение мембраны и образование накипи, вызванное переходом смачивания. Здесь мы разрабатываем мембрану, созданную на основе Ti3C2Tx MXene, которая обеспечивает эффективный локализованный фототермический эффект и сильную водоотталкивающую способность, обеспечивая значительное увеличение скорости и стабильности производства пресной воды. В дополнение к фототермическому эффекту, который предотвращает потери тепла, высокая электропроводность Ti3C2Tx MXene также позволяет самосборку однородных иерархических полимерных наносфер на его поверхности посредством электростатического распыления, превращая внутреннюю гидрофильность в супергидрофобность. Эта межфазная технология обеспечивает энергоэффективную и стабильную в условиях гиперсоленой среды фототермическую мембранную дистилляцию с высокой производительностью воды при одном солнечном облучении.

Опреснение морской воды продолжает оставаться неотъемлемой частью водного портфеля, направленного на решение постоянно растущей проблемы нехватки пресной воды во всем мире. Несмотря на обширные усилия и заметный прогресс, большинство существующих технологий требуют высоких затрат энергии и сложного управления рассолами, особенно при обработке гиперсоленых растворов1,2,3,4,5. Недавно мембранная дистилляция (MD), новый мембранный процесс с термическим приводом, продемонстрировала значительные преимущества, такие как высокая степень удаления солей, высокая степень извлечения воды при обработке рассола за счет синергетической интеграции с обратным осмосом (RO) и высокая совместимость с возобновляемыми источниками энергии. источники энергии6,7,8,9,10,11. В типичном процессе мембранной дистилляции с прямым контактом (DCMD) горячая соленая вода (исходное сырье) и холодная очищенная вода (пермеат) текут по противоположным сторонам гидрофобной мембраны, создавая межмембранный температурный градиент (∆T), который управляет водой. -переход в пар (рис. 1а). Гидрофобная мембрана, служащая одновременно средой для переноса пара и барьером против прямого проникновения жидкости, эффективно позволяет пару перемещаться от стороны подачи к стороне проникновения и конденсироваться в пресную воду, отталкивая при этом жидкую воду и ионы солей.

a Традиционный процесс МД с термической неэффективностью и проблемами смачивания мембраны с использованием мембраны C-PVDF из-за присущего ей эффекта температурной и концентрационной поляризации. Процесс MD включает поток горячей морской воды (желтый) и холодной пресной воды (синий) на противоположных сторонах пористой гидрофобной мембраны, которая обеспечивает проникновение пара, создаваемое межмембранным температурным градиентом ∆T, и в то же время отталкивает жидкую воду и ионы солей. Синяя линия представляет температурную поляризацию с прогрессивным снижением ∆T из-за собственных потерь тепла на стороне питательной воды в результате непрерывного перехода из воды в пар. Затенение желтого цвета представляет снижение температуры вблизи границы раздела сырье/мембрана по сравнению с начальной температурой сырья (желтый). Серая линия представляет концентрационную поляризацию с постепенным увеличением концентрации солей вблизи границы раздела, что усиливает склонность к загрязнению и отложению мембраны, вызванному переходом смачивания. b Оптимизированный процесс PMD с локализованным самонагревом поверхности и супергидрофобно-зависимой стабильностью мембраны, обеспечиваемой мембраной PM-PVDF. Мембрана PM-PVDF обеспечивает повышение ∆T за счет фототермического эффекта и несмачивание благодаря супергидрофобному иерархическому слою MXene с полимерными наносферами. Типичная красная заливка представляет собой повышение температуры вблизи границы раздела сырье/мембрана по сравнению с начальной температурой сырья (желтый), возникающее в результате локализованного нагрева поверхности за счет фототермического эффекта. c Разработка MXene, которая обеспечивает фототермическое преобразование и преобразование смачиваемости из гидрофильности в супергидрофобность. Слева: ПЭМ-изображение нанолистов MXene и врезное изображение показывает схематическое фототермическое преобразование MXene, усиленное плазмонным эффектом. Справа: углы контакта в исходном состоянии и после проектирования с сильной водоотталкивающей способностью.