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  近年來，飲用水短缺和淡水資源分配不平衡已成為迫在眉睫的危機。同時，船用燃油的泄漏以及工業(yè)和生活污水的隨意排放造成了大量以油水混合型為主的廢水污染。太陽能蒸汽發(fā)生裝置作為一種有效的海水淡化方法，經(jīng)常被用于污水的凈化。雖然太陽能驅(qū)動海水淡化的發(fā)展已經(jīng)取得了有效的進展，但仍需要解決含油海水帶來的挑戰(zhàn)，特別是納米/亞微米乳液的處理。如果含油廢水或乳液直接進入光熱材料內(nèi)部，有機污染物會堵塞毛細管通道，造成不可避免的污垢，導致蒸發(fā)性能和使用壽命顯著降低。同時，在含油污水處理技術(shù)中，利用超浸潤濾膜對油/水溶液進行有效過濾和分離被認為是成熟的工藝。因此，如何結(jié)合超浸潤系統(tǒng)與界面蒸發(fā)技術(shù)來實現(xiàn)含油海水凈化成為一個具有挑戰(zhàn)性的難題。

  基于前期對超浸潤體系及太陽能蒸汽發(fā)生裝置的研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 17004; ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 50113?50125; Chem. Eng. J. 2021, 423, 129099; Chem. Eng. J. 2021, 427, 131618.)，作者通過簡單溫和的席夫堿反應(yīng)和真空輔助過濾技術(shù)，制備了具有不同碳納米管比例的纖維素基雙功能復合膜材料，可實現(xiàn)太陽能驅(qū)動脫鹽和乳液過濾分離（圖1）。

圖1. 復合膜的合成路線及應(yīng)用示意圖

  復合膜材料上交聯(lián)的碳納米管具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效果，在全太陽光譜中可提供高達97%的優(yōu)異光吸收。當復合膜用于界面水蒸發(fā)時，提出了一種新的堆疊策略，可以構(gòu)建二維水運輸通路以減少熱量損失（圖2）。太陽能蒸汽發(fā)生裝置的表面溫度與蒸發(fā)性能之間存在潛在的競爭關(guān)系。隨著光動力的增加，材料表面溫度升高，蒸發(fā)速度加快。然而，較低的材料表面溫度可以減少對流和輻射的熱損失，從而提高蒸發(fā)效率。這種矛盾可以通過我們的疊加策略加以理性化。較高的光熱材料表面溫度可以促進局部蒸發(fā)速率，但過高的表面溫度會造成膜表面相對干燥的區(qū)域，而增強的供水系統(tǒng)將保持膜表面的濕潤狀態(tài)。由于水的連續(xù)輸送和泡沫的隔熱，可以將膜材料的溫度保持在一個穩(wěn)定的水平，從而提高了太陽能蒸發(fā)效率。所提出的疊加策略具有改善供水的優(yōu)勢，對一般界面蒸發(fā)膜材料具有先進的啟示。

圖2. 復合膜的界面水蒸發(fā)

  由于復合膜具有微納米尺度的粗糙結(jié)構(gòu)和兩親潤濕性，可以實現(xiàn)液下超浸潤現(xiàn)象，即水下超疏油和油下超疏水。在實際含油廢水的處理中，穩(wěn)定的油水乳液一直是亟待解決的問題。在真空泵的作用下，利用超浸潤復合膜實現(xiàn)了表面活性劑穩(wěn)定型水包油乳液和油包水乳液的分離。通過過濾分離獲得的水的COD值遠低于海洋開發(fā)的排放標準。同時，油包水乳狀液分離后，油純度可達> 99.9%（圖3）。基于此，這種雙功能膜材料被用于設(shè)計一種高效凈化含油海水的集成式裝置。海水包油乳液可以先通過預(yù)處理分離器去除油污，再通過穩(wěn)定的局部太陽加熱去除鹽離子，以獲得干凈的水資源。此外，制備的雙功能膜材料可以在多云或夜間通過輔助分離策略凈化含油廢水，并在陽光照射時通過太陽能淡化海水，從而實現(xiàn)在全天候條件下生產(chǎn)潔凈水以應(yīng)對不同環(huán)境和氣候下的水危機。

圖3. 復合膜對水包油乳液和油包水乳液的過濾分離

  綜上所述，作為一種可擴展、易于制造、高效的平臺，纖維素和碳納米管在化學和物理上合理結(jié)合，制備了超浸潤光熱膜材料。這種多功能復合膜實現(xiàn)了超潤濕系統(tǒng)與太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)的有效結(jié)合，有望解決海洋污染和水資源短缺的問題。

  該研究成果以“Bifunctional superwetting carbon nanotubes/cellulose composite membrane for solar desalination and oily seawater purification”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal (DOI:10.1016/j.cej.2021.133510)。論文第一作者為江南大學紡織科學與工程學院朱若斐博士，通訊作者為劉明明副研究員和付少海教授。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721050841