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Nature Nanotech.:带上碳管加热器,膜蒸馏“老树开新花”

在淡水资源日益匮乏的今天,污水处理回用及海水脱盐是人类获取清洁水源的重要途径。正如大家所知,膜分离技术是实现上述过程的核心工具。然而,面对许多高浓度的工业废水或是盐水,一般的压力过滤膜也束手无策。这是因为高盐浓度的废水意味着高的渗透压,这使得过滤过程需要更高的压力差才能完成,这是目前的反渗透膜难以达到的。解决这一问题的办法很简单,那就是——膜蒸馏。


膜蒸馏是就是一个将膜与蒸馏相结合过程,在传统的膜蒸馏过程中,以疏水多孔膜作为屏障,分别在两次通过热的待分离原液与渗透液,以温度差所导致的渗透压差作为驱动力,水在一侧的界面处蒸发,水蒸气透过膜孔达到另一侧,再冷凝下来,从而实现分离过程。因此,热蒸发过程也成为处理高浓度废水的唯一途径。实际上,膜蒸馏并不是一个新的概念。这一技术发展多年,已经从基础研究转向实际应用过程。不过,最近美国加州大学河滨分校David Jassby等人在Nature Nanotechonology 上发表了一篇与之相关的研究工作,让老树开出了新花。

图片来源:Nature Nanotech.


本文研究者抓住了膜蒸馏中的一个关键问题:如何保持膜两侧较高的温度差(即驱动力)?他们想到的办法是:在膜的蒸发一侧安一个加热器,而这层加热器由碳纳米管所组成。其加热原理为焦耳加热,即电流通过导体时因电阻所引起的发热现象。

常规(a)和带碳纳米管加热器(b)的膜蒸馏过程。图片来源:Nature Nanotech.


不过,基于碳纳米管的焦耳加热器通常不能用于电离度高以及腐蚀性的环境中,而作者所关注的恰恰是这样的环境,因此首先要解决的问题是如何保证碳纳米管加热器不被腐蚀。他们通过层层喷涂法将碳纳米管与聚乙烯醇(PVA)分别喷涂在疏水多孔膜的表面。在焦耳加热器工作的时候,由于碳纳米管的电阻更小,因此在施加电压下其表面会形成双电层,饱和充电的双电层会引起碳纳米管的电氧化降解。为了解决这一问题,作者采取了高频交流电来抑制双电层饱和。结果表明,在高于100 Hz的频率下,该加热器能在100 g/L的溶液中,以20 V的电压稳定工作。

碳纳米管-聚乙烯醇膜的SEM图像。图片来源:Nature Nanotech.


这种自加热的膜在1.5 mm/s的流速下纯水的回收率可达12.3%,比传统的膜蒸馏组件的理论最大值还高。当然,这样的组件也存在问题,比如能耗非常高,这个问题可以通过搭建规模化的设备得以缓解。当然,也可以通过结合其他的加热方式得以解决,比如利用太阳能进行光热转换(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201603504,点击阅读详细)。不过,这项工作还是为新型膜蒸馏组件的设计提供了一条不错的新思路。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Frequency-dependent stability of CNT Joule heaters in ionizable media and desalination processes

Nature Nanotech., 2017, 12, 557-563, DOI: 10.1038/nnano.2017.102


(本文由YHC供稿)


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