近期，浙江大學(xué)徐志康帶領(lǐng)的聚合物分離膜及其表界面工程研究團(tuán)隊(duì)采用取向冷卻結(jié)晶模板法制備了PVDF膜，再經(jīng)過(guò)多步反應(yīng)最終獲得了具有不對(duì)稱親/疏水性的光熱“兩面神”膜。在海水淡化方面具有優(yōu)良性能，為緩解淡水危機(jī)提供了一種綠色、高效的解決方案。相關(guān)研究以“Janus Poly(Vinylidene Fluoride) Membranes with Penetrative Pores for Photothermal Desalination”為題發(fā)表在Research（2020，DOI ：10.34133/2020/3241758）上。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(51673166，51803180)的資助。
研究背景
世界人口的不斷增加和城市化進(jìn)程的不斷加快，使得淡水資源短缺日益成為全球面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。利用清潔的太陽(yáng)能對(duì)海水進(jìn)行加熱―蒸發(fā)―冷凝，是獲取清潔淡水資源的新途徑。近幾年發(fā)展的太陽(yáng)能界面加熱技術(shù)利用光熱轉(zhuǎn)換材料將吸收的太陽(yáng)光能直接、高效地轉(zhuǎn)化為熱能，并在空氣/水界面處聚集，能夠有效避免熱量擴(kuò)散至水體，從而獲得較高的海水淡化效率。天然木材和陽(yáng)極氧化鋁膜具有高度規(guī)則排列的直通孔結(jié)構(gòu)，為水分蒸騰提供了直接通道，將它們與光熱材料復(fù)合所制備的太陽(yáng)能蒸發(fā)器已被嘗試用于海水淡化。然而，這些材料不易加工、難于規(guī)?；苽淝也灰渍{(diào)控孔結(jié)構(gòu)與性能，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在局限性。直接利用商業(yè)化聚合物多孔膜為基體，對(duì)其進(jìn)行光熱功能化改性來(lái)制造太陽(yáng)能蒸發(fā)器，被認(rèn)為是一種具有規(guī)模化應(yīng)用前景的方案。以穩(wěn)定性優(yōu)良且商業(yè)化程度較高的聚偏氟乙烯(PVDF)膜為例，通過(guò)相分離法獲得的雙連續(xù)孔道具有蜿蜒曲折的特征，相比直通孔來(lái)說(shuō)，不利于水分傳遞和蒸汽逃逸。因此，調(diào)控聚合物膜的孔道結(jié)構(gòu)，加快水分傳遞與蒸發(fā)效率，是開(kāi)發(fā)高性能太陽(yáng)能蒸發(fā)膜材料的關(guān)鍵。
研究現(xiàn)狀及展望
浙江大學(xué)徐志康帶領(lǐng)的聚合物分離膜及其表界面工程研究團(tuán)隊(duì)(http://siepm.zju.edu.cn/)采用前期發(fā)展的取向冷卻結(jié)晶模板法(J. Membr. Sci., 2017, 529, 47-54;?ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2016, 8, 14174–14181)，以PVDF為原料，通過(guò)構(gòu)建雙向溫度梯度誘導(dǎo)二甲基砜溶劑在高分子基質(zhì)中定向結(jié)晶，經(jīng)脫除溶劑晶體后所獲得的PVDF膜具有沿膜厚度方向高度取向的貫穿孔結(jié)構(gòu)，且具有不對(duì)稱的錐形孔特征。利用化學(xué)氣相沉積再將光熱聚合物聚吡咯(PPy)均勻地沉積在膜孔壁表面，即可獲得光熱轉(zhuǎn)換功能。進(jìn)一步在不對(duì)稱表面工程理念(Adv. Mater. Interfaces?2020, 1902064;?J. Mater. Chem. A, 2019,7, 7907-7917)的指導(dǎo)下對(duì)膜進(jìn)行單側(cè)親水化修飾。將膜漂浮在多巴胺水溶液表面，在CuSO4/H2O2(Angew. Chem. Int. Ed.,?2016, 55, 3054-3057)的調(diào)控下，親水性聚多巴胺納米涂層逐漸在膜孔壁形成，最終獲得了具有不對(duì)稱親/疏水性的光熱“兩面神”膜(圖1)。
將該膜的親水側(cè)與水接觸，而另一側(cè)由于呈疏水性，可使其漂浮于水面。疏水層沉積的PPy可原位將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為熱能，而親水孔道能夠?qū)⑺丛床粩嗟乇盟椭两缑嫣庍M(jìn)行蒸發(fā)。利用錐形孔的多級(jí)散射效應(yīng)，該膜可將太陽(yáng)能利用效率提升至97%，在一個(gè)太陽(yáng)光輻照下(1 kW·m-2)，膜表面溫度迅速升高至41℃。同時(shí)，該膜獨(dú)特的直通孔結(jié)構(gòu)為水傳遞和蒸汽逃逸提供了最直接的通道，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.08 kg·m-2·h-1的水蒸發(fā)速率。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該膜與隔熱聚氨酯泡沫進(jìn)行復(fù)合，制備了一種太陽(yáng)能海水淡化裝置。利用泡沫的低熱導(dǎo)率特性極大地抑制了熱量向水體擴(kuò)散，減少了熱量損耗，其光熱轉(zhuǎn)換效率提升至90.2%。同時(shí)，膜與泡沫之間夾層的吸水紙可將水輸送至膜表面進(jìn)行蒸發(fā)，其速率達(dá)到1.58 kg·m-2·h-1。經(jīng)該裝置對(duì)海水進(jìn)行脫鹽處理后，水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+和B3+五種離子的濃度均降至1 ppm以下，符合世界衛(wèi)生組織頒布的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，有力地證明了直通孔“兩面神”膜光熱材料在海水淡化方面的優(yōu)良性能，為緩解淡水危機(jī)提供了一種綠色、高效的解決方案，且膜制備過(guò)程簡(jiǎn)便可控，具有廣闊的規(guī)?；瘧?yīng)用前景。
