山东大学王志宁教授团队 Nano Lett.：基于MXene与TA-Fe3+协同效应的水凝胶界面工程膜用于稳健光热膜蒸馏脱盐

2024-01-07 来源：高分子科技

近年来，界面自加热型光热膜蒸馏（PMD）成为海水淡化和高盐废水处理领域的颇具前景技术，对于建立可持续的水-能源-环境关系具有重要意义。然而，低淡水产率和膜污染、膜润湿等瓶颈严重影响了该工艺效率，制约了其进一步发展与应用。构筑兼具高光热转化效率及抗污染、抗润湿特性的理想PMD膜，成为该领域面临的重要挑战之一。

近期，山东大学环境科学与工程学院王志宁教授团队开发了一种光热水凝胶界面工程膜，将具有优异光热转化特性的MXene纳米片与先进水凝胶材料有机结合，实现PMD过程的高淡水产率、优异的抗污染和耐久性。首先，将Ti₃C₂T_x MXene纳米片添加到聚乙烯醇/单宁酸（PVA/TA）水凝胶前驱体中，然后喷涂在表面亲水改性的聚四氟乙烯（H-PTFE）基底上，进一步利用Fe³⁺与TA络合对水凝胶网络进行离子交联，制备得到光热水凝胶复合膜P/T/M-Fe-PTFE（图1）。

图1 光热水凝胶界面工程膜制备及表征

利用Ti₃C₂T_x MXene纳米片（等离子体共振效应）和TA-Fe³⁺配位网络（热振动）之间的协同光热效应，可实现充分的界面自加热，膜表面平衡温度高于含单一光热组分的水凝胶复合膜。1个太阳光下，该光热膜渗透通量高达1.71 kg m^?2 h^?1，太阳能利用效率为72.0%（图2）。得益于水凝胶层的强水合作用和复合膜液体进入压力的提高，所制备的复合膜能够有效抵抗由表面活性剂引发的膜润湿和由油滴引发的膜污染，在50 h运行过程中保障高渗透通量和截盐率，显著延长了膜在处理含复杂组分高盐废水时的寿命。此外，基于多重氢键相互作用和多酚-金属离子配位作用，该复合膜在实际海水淡化过程中，表现出优异的耐久性，100 h内平均渗透通量为1.50 kg m^-2 h^-1，电导率低至2.53 μS cm^-1。此外，高离子脱除率（如硼截留率高达99.24%）表明所开发的水凝胶复合光热膜在生产符合标准的饮用水方面具有巨大潜力（图3）。

图2 MXene与TA-Fe³⁺协同光热增强机制及不同光热膜性能对比

图3 P/T/M-Fe-PTFE光热膜蒸馏综合性能评价

这项工作证明了光热水凝胶复合膜能够用于可持续太阳能膜蒸馏过程，为后续利用其他光热材料协同提高膜蒸馏性能提供了参考。其制备方法简单可放大，具有较高的推广开发价值，有望用于低能耗海水淡化和高盐废水处理过程，助力缓解淡水资源危机。

该工作以“Synergistic Effect of Ti₃C₂T_x MXene Nanosheets and Tannic Acid–Fe³⁺ Network in Constructing High-Performance Hydrogel Composite Membrane for Photothermal Membrane Distillation”为题发表在《Nano Letters》上。该论文第一作者是山东大学张娜博士后，通讯作者为王志宁教授。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后基金、山东省博士后创新项目、山东省自然科学基金等项目的资助和支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04159

下载：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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（责任编辑：xu）

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