哈工大王威南洋理工陈晓东《AM》：超薄聚合物膜通过太阳蒸发可有效拦截VOC分离出可饮用淡水

哈工大王威教授和南洋理工大学陈晓东教授合作提出了一种名为微金字塔结构聚吡咯（MPS-PPy）膜的超薄聚合物膜，该膜可通过太阳能蒸发有效拦截挥发性有机化合物（VOC），从而分离出可饮用淡水。具体介绍如下：研究背景：太阳蒸发被视为一种绿色、可持续的水修复策略，在淡化、消毒和淡水生产中应用广泛。传统光热材料只能通过相变将水与非挥发性污染物分离，无法有效拦截废水中的VOC，导致蒸馏水受到二次污染。因此，开发一种允许水分子容易渗透但能阻止VOC蒸发的光热材料成为迫切需求。MPS-PPy膜的特性：选择性渗透性：MPS-PPy膜允许水蒸发而抑制VOC蒸发，对水和VOC表现出选择性渗透性。金字塔结构优势：金字塔结构不仅减少了光反射，提高了光热转换效率，还增加了膜的表面积，从而提高了水的蒸发效率。这种结构平衡了渗透选择性和产水能力之间的权衡。出色的吸光能力：MPS-PPy膜在整个太阳光谱中表现出出色的吸收性，显着提高了其太阳蒸发性能。亲水性表面：MPS-PPy膜具有亲水性表面，在不同温度下其接触角恒定为57°，表明水对膜表面的润湿性不会受到光辐射的影响。MPS-PPy膜的制备及表征：MPS-PPy膜是通过模板辅助电聚合策略制造的，使用铟锡氧化物（ITO）涂层的聚二甲基硅氧烷（ITO-PDMS）金字塔结构作为工作电极。MPS-PPy膜为深黑色，具有出色的吸光能力。在1 kW/m2的光照射下，其温度立即从25°C升高到60°C，比平坦的PPy膜高约5°C，说明MPS-PPy膜可以局部加热水表面，提高对阳光的利用。MPS-PPy膜的VOC拦截效果：选择苯酚作为VOC代表进行实验，通过MPS-PPy膜蒸发后，蒸馏溶液中的苯酚浓度显着降低，超过90％的苯酚被拦截。MPS-PPy膜还对其他挥发性有机化合物（如甲苯、乙酸乙酯、丙酮、乙醇和苯胺）表现出良好的拦截效果。通过VOC拦截性能的重复实验证明了其出色的膜可回收性。MPS-PPy膜的光热转换效率：在功率密度为7 kW/m2的光照射下，MPS-PPy膜放置在水表面可以充当局部光热转换器，水面在不到2分钟的时间内被加热，并观察到蒸汽产生。在5 kW/m2光照射15分钟后，水的表面和底部之间引起了大约22°C的温差，说明MPS-PPy膜可以实现局部加热，显着提高太阳能蒸汽的产生效率。MPS-PPy膜的实际应用：将MPS-PPy膜用作便携式、全设备自制的太阳能蒸发装置的光热材料，在自然太阳辐射下1小时，该设备产生了约12 g的水。蒸馏水中的离子浓度比原海水中的离子浓度低得多，且远远低于世界卫生组织建议的饮用水标准。MPS-PPy膜成功拦截了河水中的VOC，原河水通过MPS-PPy膜之后，总有机碳（TOC）浓度下降，还可以去除约78%的有机污染物。总结：MPS-PPy膜通过模板辅助电聚合过程开发，对水和VOC具有选择性的渗透性。金字塔结构不仅提高了光热效率，还增加了蒸汽产生表面积，平衡了渗透选择性和产水能力之间的权衡。MPS-PPy膜可有效用于自然环境中的海水蒸发，获得的冷凝水的离子浓度符合饮用水标准，还成功拦截了河水中的VOC。这些优点表明了使用MPS-PPy膜进行有效VOC拦截的太阳能水净化的可行性。