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山東大學王志寧教授團隊 Nano Lett.：基于MXene與TA-Fe3+協(xié)同效應的水凝膠界面工程膜用于穩(wěn)健光熱膜蒸餾脫鹽

2024-01-07 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：光熱水凝膠界面工程膜光熱轉(zhuǎn)化 MXene納米片膜蒸餾性

近年來，界面自加熱型光熱膜蒸餾（PMD）成為海水淡化和高鹽廢水處理領(lǐng)域的頗具前景技術(shù)，對于建立可持續(xù)的水-能源-環(huán)境關(guān)系具有重要意義。然而，低淡水產(chǎn)率和膜污染、膜潤濕等瓶頸嚴重影響了該工藝效率，制約了其進一步發(fā)展與應用。構(gòu)筑兼具高光熱轉(zhuǎn)化效率及抗污染、抗?jié)櫇裉匦缘睦硐?/span>PMD膜，成為該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

近期，山東大學環(huán)境科學與工程學院王志寧教授團隊開發(fā)了一種光熱水凝膠界面工程膜，將具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)化特性的MXene納米片與先進水凝膠材料有機結(jié)合，實現(xiàn)PMD過程的高淡水產(chǎn)率、優(yōu)異的抗污染和耐久性。首先，將Ti₃C₂T_x MXene納米片添加到聚乙烯醇/單寧酸（PVA/TA）水凝膠前驅(qū)體中，然后噴涂在表面親水改性的聚四氟乙烯（H-PTFE）基底上，進一步利用Fe³⁺與TA絡(luò)合對水凝膠網(wǎng)絡(luò)進行離子交聯(lián)，制備得到光熱水凝膠復合膜P/T/M-Fe-PTFE（圖1）。

圖1 光熱水凝膠界面工程膜制備及表征

利用Ti₃C₂T_x MXene納米片（等離子體共振效應）和TA-Fe³⁺配位網(wǎng)絡(luò)（熱振動）之間的協(xié)同光熱效應，可實現(xiàn)充分的界面自加熱，膜表面平衡溫度高于含單一光熱組分的水凝膠復合膜。1個太陽光下，該光熱膜滲透通量高達1.71 kg m^?2 h^?1，太陽能利用效率為72.0%（圖2）。得益于水凝膠層的強水合作用和復合膜液體進入壓力的提高，所制備的復合膜能夠有效抵抗由表面活性劑引發(fā)的膜潤濕和由油滴引發(fā)的膜污染，在50 h運行過程中保障高滲透通量和截鹽率，顯著延長了膜在處理含復雜組分高鹽廢水時的壽命。此外，基于多重氫鍵相互作用和多酚-金屬離子配位作用，該復合膜在實際海水淡化過程中，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性，100 h內(nèi)平均滲透通量為1.50 kg m^-2 h^-1，電導率低至2.53 μS cm^-1。此外，高離子脫除率（如硼截留率高達99.24%）表明所開發(fā)的水凝膠復合光熱膜在生產(chǎn)符合標準的飲用水方面具有巨大潛力（圖3）。

圖2 MXene與TA-Fe³⁺協(xié)同光熱增強機制及不同光熱膜性能對比

圖3 P/T/M-Fe-PTFE光熱膜蒸餾綜合性能評價

這項工作證明了光熱水凝膠復合膜能夠用于可持續(xù)太陽能膜蒸餾過程，為后續(xù)利用其他光熱材料協(xié)同提高膜蒸餾性能提供了參考。其制備方法簡單可放大，具有較高的推廣開發(fā)價值，有望用于低能耗海水淡化和高鹽廢水處理過程，助力緩解淡水資源危機。

該工作以“Synergistic Effect of Ti₃C₂T_x MXene Nanosheets and Tannic Acid–Fe³⁺ Network in Constructing High-Performance Hydrogel Composite Membrane for Photothermal Membrane Distillation”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。該論文第一作者是山東大學張娜博士后，通訊作者為王志寧教授。該研究得到國家自然科學基金、中國博士后基金、山東省博士后創(chuàng)新項目、山東省自然科學基金等項目的資助和支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04159

下載：Synergistic Effect of Ti₃C₂T_x MXene Nanosheets and Tannic Acid–Fe³⁺ Network in Constructing High-Performance Hydrogel Composite Membrane for Photothermal Membrane Distillation

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（責任編輯：xu）

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