莱斯大学李琪琳等Nature Nano.：纳米涂层助力高盐度海水的电热脱盐！

来源：高分子科学前沿

全世界每年有近40亿人需要面对至少一个月的缺水问题，其中有18亿人生活在严重缺水的国家。除了保护宝贵的淡水供应不受工业废水和盐水的污染外，海水淡化在替代性盐水水资源的利用中也起着重要作用。反渗透技术由于相对较低的能耗，是目前使用最广泛的海水淡化技术。但是，克服高盐盐水的渗透压所需的高压阻碍了其在关键工业废水脱盐中的应用，例如石油和天然气产出的水和反渗透浓缩液以及零液体排放过程。传统的热脱盐方法，例如多效蒸馏（MED）和多级闪蒸（MSF），能够淡化或浓缩超过反渗透技术盐度极限的盐水，但它们需要大量的基础设施和较高的投资成本。最近发现，表面加热膜蒸馏（SHMD）技术可以克服传统膜蒸馏技术固有的局限性。

美国莱斯大学Qilin Li（李琪琳）、Jun Luo和Pulickel M. Ajayan等人报道了在不锈钢丝布上原位生长六方氮化硼纳米涂层（hBN-SSWC），并将其作为可扩展的电加热材料应用于表面加热膜蒸馏。新型的hBN-SSWC具有出色的透气性、导热性、电绝缘性和防腐性能，这些特性对于长期的表面加热膜蒸馏性能至关重要，尤其是在高盐溶液中。作者通过简单地将hBN-SSWC附着到商用膜上，证明了hBN-SSWC能够在超高功率强度（50 kW m-2）下淡化高盐溶液，并具有极高的水通量、单程水回收率和热利用效率，同时保持优异的材料稳定性。作者还展示了hBN-SSWC在可扩展的螺旋缠绕电热膜蒸馏模块中的出色性能。该研究以题为“Multifunctional nanocoated membranes for high-rate electrothermal desalination of hypersaline waters”的论文发表在《Nature Nanotechnology》上。

【纳米涂层的制备】

hBN纳米涂层是使用常规的低压化学气相沉积方法直接在400目数的SSWC上生长的（图1a）。hBN生长后，SSWC变成深棕色并保持其多孔结构，展现出了出色的柔韧性。横截面的透射电子显微镜（TEM）图像（图1d）证实了所观察到的hBN的层状结构，其厚度为80-100nm。为了避免由每个hBN层（尤其是大面积区域）中的潜在缺陷引起的“弱点”，必须有足够的涂层厚度。原子分辨率TEM（图1e）揭示了hBN的层状结构，层间间距约为3.6Å，晶格常数约为2.3Å。SSWC上高质量hBN层的直接生长可在电热SHMD的独特环境中实现出色的绝缘和防腐性能。此外，hBN纳米涂层有效地将热量从SSWC传导到周围环境：涂有涂层的SSWC可以支持大量的功率输入（高达100 kW m-2）并产生高于200 ℃的温度。

图1生长高质量的hBN纳米涂层

【通过hBN-SSWC焦耳加热实现SHMD】

高质量的hBN纳米涂层及其保护性屏障功能表明，hBN-SSWC可用于高效电热SHMD。通过将原始的或hBN涂层的SSWC连接到SHMD进料室的PVDF膜顶部，作者实现了在各种输入功率下淡化高盐度水（图2a）。当输入功率密度从1增加到50 kW·m-2时，膜通量在始终保持> 99.9％的脱盐率的同时，从0.32±0.03非线性增加到42.7±0.8 kg m-2·h-1。该通量是先前报道的MWCNT / PVA涂层的五倍，几乎比光热SHMD膜通量高一个数量级（0.5 kg m-2·h-1）。高的膜通量也带来了67.0％的单程水回收率，而常规热脱盐技术的单程水回收率只有6.4％。扫描电子显微镜（SEM）图像证实没有涂层的SSWC发生了严重腐蚀，而hBN-SSWC由于hBN纳米涂层提供的保护而完好无损。这些结果表明，hBN-SSWC的高加热强度没有引起PVDF膜的任何恶化。

图2 hBN-SSWc支持SHMD中的高能量输入以实现高性能

【新型螺旋缠绕电热SHMD技术】

SSWC的柔性和多孔结构有助于在普通管式炉中大规模生长hBN涂层。作者在管径为4.6 cm的炉中制备了2 cm×85 cm的hBN-SSWC样品（图3a）。通过用大量的hBN-SSWC样品，作者构建了一种新型的螺旋缠绕SHMD模块，将hBN-SSWC夹在两个平板PVDF膜之间，并卷成圆柱形外壳。进料流在两个膜片之间的通道中流动，而冷的渗透流则在外部流动（图3b，c）。该设计允许hBN-SSWC涂层同时加热两个膜片，并最大程度地减少了对环境的散热，从而大大提高了产水率。结合其处理高盐浓度进料流的能力（图3e），它为高盐度水处理提供了高通量的解决方案，填补了目前热法和反渗透法淡化的关键技术空白。该系统还具备简易性（无需外部加热器或进料再循环回路）、可扩展性（模块化配置，对模块长度无限制）以及可使用家用电源（50Hz）等优势。

图3 大规模hBN-SSWC制造及其在新型螺旋缠绕电热SHMD中的应用

总结：作者报道了生长在不锈钢丝布上的高质量hBN纳米涂层，并将其作为高效稳定的焦耳加热器应用于SHMD中。与SHMD中的商用PVDF膜结合使用时，hBN-SSWC可以在家用频率（50 Hz）的电源下对高盐度水进行高性能的脱盐，同时产生非常高的水通量、单程水回收率和热利用效率。hBN-SSWC在长期服役中也表现出出色的稳定性，没有观察到任何化学降解或机械刮擦。该研究表明，材料和系统设计的协同结合展现了纳米材料的独特特性是如何用来解决极具挑战性的工程问题并克服传统技术的局限性。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00777-0