太阳能光热界面蒸发有利于热量的高效率利用，且可以实现零碳排放，符合“十四五”规划的主要目标任务，受到了科学家们的广泛研究。三维蒸发组件相较于传统的二维界面蒸发，不仅可以获得更多的能量，还有利于蒸汽的扩散，成为了近几年研究者关注的重点。中空纤维膜是一种具有自支撑作用的膜，且因为在相同占地面积的情况下具有更大的表面积，所以对于土地密集型产业有很好的适用性。因此，由于中空纤维膜具有更多的反应界面，在未来发展中，将拥有广阔的应用前景。
近日，浙江大学高分子科学与工程学系黄小军副教授团队设计开发了一种Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜，用于360°界面蒸发。对于三维界面蒸发，材料和结构的选择以及表面性能尤为重要。聚醚砜梯度孔中空纤维膜由于其独特的结构，可以依靠自身的强亲水性利用毛吸力进行快速输水，并且由于大面积的侧表面蒸发，可以实现水运输和蒸发的协同进行。表界面改性对于提升材料性能非常关键，传统的改性方式有物理涂覆、化学接枝、沉淀反应、等离子体改性等。在本研究中，通过在聚醚砜梯度孔中空纤维膜外表面涂覆PDMS层构筑非对称结构，使Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜在保持自身毛吸力输水性能外，外表面还具有抑盐以及促进蒸汽释放的功能。
图1 Janus 聚醚砜梯度孔中空纤维膜的制备以及应用示意图
图2 (a) 原始和改性后的聚醚砜梯度孔中空纤维膜的水接触角，包括内外膜表面。(b) 中空纤维膜结构利用毛吸力驱动供水的示意图。(c) M-6（Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜）吸水过程的荧光显微镜图像。(d)原始和改性后的聚醚砜梯度孔中空纤维膜的输水平衡高度。(e, f, g) 不同改性方法, PDMS溶液浓度、膜丝长度下聚醚砜梯度孔中空纤维膜的蒸发速率。
如图2a所示，用水接触角表征了Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜内外的非对称性，由于聚醚砜梯度孔中空纤维膜本身就是亲水膜，因此其Janus结构主要是通过在外表面浸涂PDMS疏水涂层构筑。图2b,c,d表征了中空纤维膜的输水能力，由于孔大小不同，因此水的传输速率和平衡高度也会有所差异。通过测试表明，Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜有着很好的输水能力。最后，对不同改性方法、PDMS溶液浓度、膜丝长度下聚醚砜梯度孔中空纤维膜的蒸发速率进行了测试，可见Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜的水蒸发速率最高，实现2.51 kg·m-2·h-1的高蒸发率（基于蒸发面积而不是投影面积）。
图3 Janus 聚醚砜梯度孔中空纤维膜的（a,b,c）光吸收率和（d）表面温度测试（其中第一行是干态条件，为局域最高温度，第二行是吸水蒸发条件，为局域最低温度）
如图3所示，表示了Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜的光吸收情况和光热转换能力。由于聚吡咯和多壁碳纳米管对太阳光不同波段的吸收有着互为补充协同性，改性后的光吸收效率达到93.7%。除此之外，用红外线热成像仪测试了Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜在干态和蒸发态的表面温度。在干态情况下，中空纤维膜表面温度可以在30s内上升至45.5℃的平衡温度。而在浸润状态时，由于水的快速蒸发，蒸发表面的温度降至环境温度以下，但由于环境热量的输入，界面温度又会上升直到稳定在22.6℃平衡温度。由于低于环境温度（25℃），该组件可以从环境中吸收热量进行冷蒸发。
图4 (a) Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜不同中间层的蒸发速率(None、MWCNTs、Nf)。(b) M-6和M-7的孔径分布。(c) M-6的孔径分布在5-11 nm，与MWCNT内芯直径的透射电镜观察结果一致。(d) M-4, M-6膜外表面的拉曼图谱。(e) 一个太阳照射下，模拟海水样品在界面蒸发前后的四种离子浓度。(f) M-6用于模拟海水的蒸发速率变化。
由于碳纳米管内部独特的纳米通道，其对于水的快速传输早有报道，甚至已经有科学家通过导入离子液体后成功实现电信号的快速传输。如图4a，为了探究多壁碳纳米管对蒸发过程的影响，首先设置了对照实验，将MWCNT层换为碳纳米棒。对蒸发速率的结果分析表明，换成碳纳米棒后，水蒸发速率下降明显，甚至低于不含有MWCNT的样品。如图4b,c所示，通过孔径测试发现，Janus 聚醚砜梯度孔中空纤维膜有着5-11nm的孔分布，这有可能会影响水分子的传输状态。因此，用拉曼测试来进行进一步证明。如图4d所示，可以看到对于MWCNT改性的样品，出现了中间水的吸收峰。除此之外，通过后续的测试表明，Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜有着很好的水净化能力和持续使用能力。
小结：本研究中，Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜结构不仅可使膜内部利用毛吸力进行1D水运输，这种方式实现了水的快速输送，降低水的热传导损失；外部的疏水层还可以抑制盐结晶以实现太阳光的持续输入，促进水蒸气的快速释放。经典气体动力学理论表明，蒸发速率由相变和扩散两个连续步骤决定。由于多壁碳纳米管内特殊水通道的存在，可以改变水分子传输时的状态，并快速释放。中空纤维膜的特殊结构还可以以促进蒸汽扩散来最终实现高的水蒸发速度。Janus聚醚砜梯度孔中空纤维膜可以在无强制对流，空气湿度50-60%，室温下实现2.51 kg·m-2·h-1的高蒸发率（基于蒸发面积而不是投影面积），在模拟海水中的水蒸发速率为1.6 kg·m-2·h-1，并可以连续稳定蒸发3 天。该研究为探索水相转变过程和界面蒸发的结构设计提供了新的思路。
以上的研究成果以“Janus polysulfone gradient hollow fiber membranes with interfacial photothermal evaporation by optimization of water transport and thermal management ”为题发表在《Chemical Engineering Journal》 上。浙江大学硕士研究生童霄为第一作者，黄小军副教授为通讯作者。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723065993
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