SIEPM团队与中山大学杨皓程老师合作：面向微/纳米油水乳液分离的薄层复合光热蒸发器

相较于微米尺寸的油水乳液，具有亚微米/纳米尺寸的乳液分离更具挑战。传统的膜分离技术随着分离的进行膜孔较易堵塞，从而导致性能急剧下降。近年来，基于光热材料的太阳能驱动界面蒸发在海水脱盐、污水处理等领域受到广泛关注，可望用于油水乳液的处理过程。然而，传统的蒸发器在蒸发过程中，乳液会通过孔道聚集于蒸发器内，非挥发性乳滴会导致孔道堵塞，影响蒸发；挥发性油滴则会同时蒸发，造成二次污染。

最近，课题组杨皓程老师等人发展了一种具有薄层复合结构的新型太阳能蒸发器，实现了微/纳米有水乳液的高效分离。受植物根系结构以及薄层复合分离膜材料的启发，研究团队提出在蒸发器的表面构建一层薄且致密的分离层，一方面能够有效截留原液中的油滴，另一方面不会过度阻碍水分的传输，导致水供给不足。其中，凝胶薄层通过海藻酸钠与氯化钙的在海绵表面的相对扩散而形成。该蒸发器的工作原理如下：1、表面蒸发过程：蒸发器顶部的光热转化层将太阳光转化为热用以驱动水分蒸发；2、内部传递过程：蒸发导致水上部分凝胶层内部渗透压升高，促使海绵内水分向表层传递，同时封闭连续的海绵内腔形成负压，驱动水下部分从外吸收水分；3、界面截留过程：在蒸发器内部负压驱动下，水分连续透过凝胶膜向内传递，同时凝胶层物理截留乳滴。此外，凝胶层具有优异的水下抗油性，能够防止油滴在表面黏附污染

在此基础上，研究人员进一步通过将蒸发器分裂成蒸发器阵列，能够有效提升水上蒸发面积与水下接触面积，在标准一个太阳光下蒸发速率可达3.10 kg×m^-2×h^-2，其对不同油水乳液去除率可达99.9%。在户外实验中，该蒸发器也能表现出约12 kg×m^-2×day^-1的产水能力。该工作以“Solar-Driven Evaporators with Thin-Film-Composite Architecture Inspired by Plant Roots for Treating Concentrated Nano-/Submicrometer Emulsions”为题发表《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

图1. 薄层复合光热蒸发器的设计与制备流程

 

图2. 蒸发器光热转化与蒸发性能

 

图3. 蒸发器实际分离性能

 原文链接：pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c16093