哈工大《Adv Mater》：一种微结构超薄膜实现水蒸发高效净化！

太阳蒸发被认为是一种绿色，可持续的水修复策略，在海水淡化，消毒和淡水生产中具有广泛的应用。水蒸发是水-空气界面的吸热过程，水分子的能量在此过程中进行传输。因此，在水-空气界面处进行局部加热是提高太阳能蒸发的能量效率的有效方法。当前光热材料的关键挑战是将水与挥发性有机化合物（VOC）分离。当前的材料只能通过相变将水与非挥发性污染物分离，而不能以废水中的合成有机物形式存在的挥发性有机化合物以及天然水中微生物代谢产生的生物有机物。污染物可能与水一起蒸发，导致蒸馏水受到二次污染，甚至可能富含蒸馏水。因此，非常需要允许水分子容易渗透但阻止VOCs蒸发的光热材料。

为此，来自哈尔滨工业大学和南洋理工大学等单位的研究人员报道了一种微结构的超薄聚合物膜，该膜能够通过太阳蒸发以90％的VOC去除率从VOC污染物中分离出淡水。相关论文以题为“具有选择性溶液扩散作用的聚合物膜，用于拦截太阳能驱动的水修复过程中的挥发性”发表在顶尖期刊《Advanced Materials》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202004401

水和挥发性有机化合物与聚合物膜的不同溶液扩散行为促进了它们的分离。此外，由于增加了光吸收，扩大了液-气界面以及缩短了传质距离，膜的微结构和超薄结构有助于平衡渗透选择性和产水量之间的平衡。该膜不仅可以有效地蒸发原型中模拟挥发性污染物，而且还可以拦截天然水源中复杂的挥发性有机污染物，并生产出符合饮用水标准的水。通过实际演示和令人满意的净化性能，这项工作为有效蒸发水修复中的太阳能蒸发的实际应用铺平了道路。

方案1. a）水和苯酚与PPy的化学亲和力。  b）在选择性渗透过程中，分子大小对溶液的影响以及分子-膜相互作用对扩散的影响。  c）使用MPS-PPy膜产生蒸汽的示意图。

d）通过MPS-PPy膜进行的选择性渗透蒸发过程。

图1. a）通过模板辅助电聚合制备的MPS-PPy膜的数码照片。  b）PPy金字塔的SEM图像（上图）和横截面图像（下图）。  c）扁平膜和MPS-PPy膜的反射光谱。d）在1 kWm–2的辐射下，扁平膜和MPS-PPy膜的红外照片。  e）辐射（1 kW m–2）下MPS-PPy和PPy PPy膜的温度变化。  f）在不同温度下水在PPy膜上的接触角。  g）漂浮在水面上的PPy膜的显微镜照片。

图2. a）初始酚溶液（5 mgL-1）的吸收光谱，以及分别由MPS-PPy膜，石墨，石墨烯和PPy涂层的碳布产生的蒸汽中的冷凝物。  b）在不同的循环中，由MPS-PPy膜产生的蒸汽中的冷凝物中的苯酚浓度。在每个循环中，每平方米PPy膜产生3升纯净水。c）在辐射（1 kWm–2）下，水和苯酚通过MPS-PPy膜的溶液扩散行为，可用于计算扩散系数。  d）PPy膜中不同挥发性化学物质的归一化扩散系数。

图3. a）MPS-PPy膜在辐照下（7 kW m–2）产生的蒸汽照片，以及b）相应的IR照片。c）在光照射下（5 kW m–2），烧杯顶部水表面与底部之间的温度差异。黑色曲线表示带MPS-PPy膜的海水数据，红色曲线表示不带膜的海水数据。  d）在以下条件下蒸发水的重量随时间变化：在辐照下使用MPS-PPy膜和PU绝热材料，在辐照下使用MPS-PPy膜，在辐照下使用平PPy膜，在辐照下用裸水，在MPS-PPy膜下 但不照射，而裸露的水不照射。e）用MPS-PPy膜在太阳辐射分别为1、3、5和7 kW m-2时的蒸发重量与时间的关系。  f）通过使用MPS-PPy膜和PPy涂层的碳布作为光热材料，使水的蒸发速率提高。  g）在不同光密度下，使用MPS-PPy膜，石墨烯膜和石墨膜作为光热材料的水蒸发速率

图4.a）太阳蒸馏装置的照片。  b）初始海水（新加坡圣淘沙）和从太阳蒸馏系统产生的蒸汽中冷凝的水的离子浓度。  c）初始河水，通过常规多孔蒸发器（石墨毡）和MPS-PPy膜净化的水的总有机碳浓度和3D-EEM光谱。  d）分别通过常规多孔膜（以石墨毡作为对照样品）和MPS-PPy膜在原河水中，蒸馏水中的溶解有机物的3D荧光光谱。

总之，本文报告了通过模板辅助电聚合过程开发的微金字塔结构PPy膜，该膜对水和VOC具有选择性渗透性。在太阳蒸发过程中，VOC的蒸发量达到了90％。  MPS-PPy膜的VOC截留行为归因于其对水和VOC的选择性溶液扩散行为，这已通过仿真和实验结果得到验证。微型金字塔结构不仅减少了光反射，从而提高了MPS-PPy膜的光热效率，而且还增加了空气/ PPy膜界面的面积，从而可以提供更大的表面积来产生蒸汽。

因此，金字塔结构保持了渗透选择性和产水能力之间的平衡。此外，基于溶液的简便模板辅助电聚合工艺可制造出薄，均匀且大面积的MPS-PPy膜。所有这些特性使MPS-PPy膜成为太阳蒸发的理想选择。在一个标准太阳光（1 kW m–2）照射下，其蒸发效率为1.12 kg m–2 h–1。作为概念的证明，MPS-PPy膜用于自然环境中的海水蒸发，冷凝水的离子浓度符合饮用水标准。此外，MPS-PPy膜还成功拦截了河水中的VOC。这些优点清楚地表明了使用MPS-PPy膜进行有效的VOC拦截的太阳能水净化的可行性。此外，与催化氧化替代方法相比，基于溶液扩散的VOC拦截方法具有不需要昂贵的氧化剂且不产生有机副产物的优点。（文：SSC）