华为|用于自主太阳能海水淡化的 MXene 涂层膜（一）智能手机|vivo|OPPO|手机行业

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离网地区的清洁水供应仍然是太阳能丰富的偏远地区社会经济发展的绊脚石。在这方面，一些技术已经为离网淡水困境推出了各种解决方案；然而，它们中的大多数要么成本高昂，要么操作复杂。尽管如此，光热膜蒸馏(PMD)已成为一种很有前途的候选者，具有由太阳能自主驱动的巨大潜力。 PMD膜无需在传统的MD系统中使用能量密集型散装进料加热，而是可以直接在膜界面处收集入射太阳光，作为海水淡化过程的替代驱动能源。由于其在离子环境中的出色光热性能和稳定性，本文将Ti3C2TX MXene涂覆在商用聚四氟乙烯(PTFE)膜上，以实现自加热PMD工艺。在单日光照条件下， PMD膜在0.36 g/L的进料盐度下实现了0.77 kg/m2 h的平均水蒸气通量，在间歇光照下具有出色的时间响应，光热效率为65.3% 。自然地，由于蒸发速率的降低和入射太阳光向膜光热表面的散射，特别是在高于10 g/L的速率下，该过程的效率随着进料浓度的增加而降低。值得注意的是，凭借这样的性能， 1 m2的MXene涂层PMD膜可以满足家庭推荐的每日饮用水摄入量，即ca. 6升/天。

KAUST

关键词：
膜蒸馏
光热行为
Ti3C2TX ，局部加热
二维光热转换材料
温度极化
太阳能海水淡化

最近的报告显示，由于全球人口的快速增长、城市扩张和工业化，上个世纪用水量增加了600倍。这种增长鼓励了水研究界寻找新的高效海水淡化和废水处理技术。迄今为止，在以反渗透（RO）、多级闪蒸和多效蒸馏（MED）为主的常规技术中，膜蒸馏（MD）作为一种很有前景的海水淡化技术被引入。典型的MD系统可以在相对较低的温度和压力下对高盐分流进行脱盐。此外， MD系统的能量性能可以与现有的热技术相媲美。此外， MD可以与RO和MED等其他技术充分结合，以提高水的回收率。原则上， MD是由穿过疏水性微孔膜的流体的蒸汽压差驱动的。它可以分为几种主要在渗透侧不同的配置。直接接触MD (DCMD)是这些配置中研究最多的，因为它简单且通量相对较高。然而，尽管具有优势， MD技术的商业化仍受到一些关键因素的阻碍，包括温度极化(TP) ，它会对通量产生负面影响，从而导致工艺效率低下。此外， TP的大小通常会随着MD模块长度的增加而显着增加，从而限制了MD的放大。

在这方面，已经引入了各种方法来克服TP问题，方法是使用进料间隔件、闪蒸进料或在膜表面附近局部加热进料溶液，称为局部加热。到目前为止，后者是最可持续的方法，因为它可以在不影响进料流流体动力学的情况下应用。尽管如此，所有上述方法仍然依赖于外部热源。或者，最近的技术通过使用涂有光热材料的自热MD膜提供了抑制TP限制的其他途径。通常，在MD膜表面应用光热涂层会引起显着的局部加热；在涂层膜上获得更大的温度梯度。在典型的光热MD (PMD)工艺中，膜上涂有可有效吸收太阳辐射并将其转化为热能的光热材料。因此，给水可以直接在蒸发部位加热，即膜-进水界面，使PMD系统具有克服TP效应的巨大潜力。此外，与传统的MD相比，使用PMD膜除了可识别的比能量消耗(SEC)降低外，还证明了蒸气通量的增强。
已经对几种光热材料进行了PMD测试，并表现出高脱盐性能。例如，将银纳米粒子(NPs)掺入聚偏二氟乙烯(PVDF)膜中增加了紫外线照射下的蒸气通量。 (162831)同样， Fe3O4 NPs在PVDF-co-六氟丙烯纳米纤维膜上的沉积表现出53%的光热效率和0.97 kg/m2 h的水通量。 Cao等人(2020)使用基于羟基磷灰石的纳米线膜在单日光照下蒸馏水。他们分别获得了0.89 kg/m2 h和62%的蒸汽通量和光热效率。 Said等人(2019)将炭黑纳米颗粒涂覆在商用聚四氟乙烯(PTFE)膜上，产生0.77 kg/m2 h的通量值。氮化钛(TiN)涂层PVDF膜是光热诱导增强MD性能的另一个例子，在单日光照下，太阳能转换效率为64.1% ，蒸汽通量为0.94 kg/m2 h 。除了先前涉及零维和一维(1D)光热材料的研究外，还考虑了用于PMD系统的二维(2D)材料，例如石墨烯。例如，用石墨烯基材料涂覆PTFE膜在单次阳光照射下的蒸汽通量提高了78.6% 。