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浙大徐志康/杨皓程团队 AFM综述：面向太阳能驱动蒸发的膜材料设计与应用

时间：2023-07-06 来源： 浏览：

浙大徐志康/杨皓程团队 AFM综述：面向太阳能驱动蒸发的膜材料设计与应用

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太阳能驱动的光热蒸发是一种新兴的可持续的海水淡化与污水处理技术。如何推动该技术的规模化应用是近年来本领域研究的重点。尽管研究者们开发了大量的光热材料与光热器件以实现高效稳定的光热蒸发过程，然而，究竟什么形式的光热材料更具潜力？浙江大学聚合物分离膜及其表界面工程研究团队针对一问题给出了他们的答案：膜材料。

最近， 浙江大学 徐志康教授 、 杨皓程研究员 与美国Argonne国家实验室 Seth Darling博士 合作撰写了题为“Membranes in Solar-Driven Evaporation: Design Principles and Applications”的综述论文并发表于 Adv. Funct. Mater . 。 针对膜材料在光热蒸发中所扮演的角色这一关键问题出发，从光热膜的制备与光热膜蒸发组件的设计两个角度，总结了膜材料光热蒸发组件的设计原则与应用优势。
1.光热膜的制备策略
论文依据材料光热化与成膜过程的先后顺序，简明介绍了光热膜的主流制备技术，包括共混纺丝、共混相分离、真空抽滤、表面涂敷、原位改性、材料组装及碳化等多种光热膜的制备策略，比较了不同方法在方法复杂性、适用性、材料选择、可调控性等方面的优势与劣势（图1）。

图1.  光热膜材料的制备策略。

2.膜蒸发组件设计原则
在蒸发器设计方面，论文分别从材料设计、器件设计与过程设计三个角度进行讨论。
材料设计： 在影响光热膜性能的众多因素中，孔结构参数与浸润性是影响光热蒸发性能最为关键的参数。为此，论文分别讨论了亲水、疏水与非对称浸润膜中光热界面、蒸发界面与结垢界面的位置，以及如何热量管理、蒸发性能与结垢行为的影响（图2）。此外也讨论了孔尺寸、孔结构等对不同类型蒸发器件的影响。
图2.  膜材料的湿润性对漂浮型光热膜内质量与热量传递过程的影响。
器件设计:  在器件设计方面，论文从液体在膜内的传递模式入手，分别探讨了过膜传递（Across-membrane）与面内传递（In-plane transport）两种蒸发过程中的传质模式，并由此发展的漂浮型（Floating）、支撑型（Supported）与悬挂型（Suspended）器件以及衍生处的更多设计（图3）。此外，论文还介绍了中空纤维膜在蒸发组件设计中的潜力（图4）。
图3.  不同液体传递方式下膜内的传热和传质。
图4 . 中空纤维膜光热蒸发组件的传热和传质。
过程设计： 在过程设计方面，论文着重探讨了结合蒸汽收集单元的几种典型的膜蒸发过程，其中对光热膜蒸馏过程做了详细的讨论，讨论了光热强化的膜蒸馏与光热驱动的膜蒸馏过程的异同与设计原则（图5），以及在此基础上发展的多级潜热回收装置（图6），并介绍了其他光热蒸发耦合催化、吸附、发电过程（图7）。
图5.  a) 太阳能增强膜蒸馏和b) 太阳能驱动膜蒸馏。
图6.  太阳能多级潜热回收装置。
图7.  光热耦合其他过程的示例。a) 耦合吸附或催化；b) 耦合蒸发驱动茶能过程；c) 耦合渗透压差产能；d) 热电产能耦合的示意图。
3.结论与展望
光热膜蒸发器件未来的研究方向包括以下几个方面：其一，将膜的筛分性能与蒸发过程耦合，实现基于多种机制的复杂体系的分离过程；其二，除了获取淡水，对于盐类资源的祸首，或是对于料液浓缩有助于这一技术在不同应用领域的拓展；其三，光热转化带来的显热变化对液体粘度等物理性质的变化有望提升传统膜分离过程中介质的传质速率；其四，蒸发与其他过程的耦合亦是本领域重要的研究方向。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304580

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