结构设计的非对称润湿性纳米纤维膜，用于提高太阳能蒸发过程中的供水效率和抗盐性

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《Desalination》：Structurally-designed asymmetric wettability nanofibrous membrane for enhanced water supply and salt resistance in solar evaporation

【字体：大中小】 时间：2025年11月19日 来源：Desalination 9.8

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　　本研究设计了一种异质亲疏水三层膜（i/h/i膜），通过在疏水碳纳米纤维膜表面修饰亲水水凝胶层，显著降低水接触角（从138.4°降至43.1°），提升太阳能蒸发效率（3.5 wt%盐水中达1.93 kg·m?2·h?1）及长期稳定性（连续运行10小时性能保持），为可持续海水淡化提供新策略。

李万龙|冯全|郑贤红|任玉清|周向云|赵江辉|刘志

安徽工程大学纺织与服装学院，中国芜湖北京中路241000

摘要

在太阳能水蒸发过程中，疏水材料的较差水传输能力会导致表面盐分积累，从而降低蒸发速率和蒸发器的可持续性。本文通过在水疏性碳纳米纤维膜的两面上涂覆亲水性水凝胶，设计了一种具有不对称润湿性的三层膜（亲水/疏水/亲水，记为i/h/i膜）。与碳膜相比，i/h/i膜的水接触角显著降低至43.1°（碳膜为138.4°），表明其水供应能力得到提升。在单日照条件下，i/h/i膜对3.5%盐度的水的蒸发速率为1.93 kg·m^?2·h^?1，优于纯碳膜（1.58 kg·m^?2·h^?1）。值得注意的是，i/h/i膜在连续蒸发10小时后仍保持稳定的性能，显示出良好的长期稳定性和抗盐性。数值模拟证实，i/h/i膜结构降低了水压、提高了流速，并使膜表面的盐浓度保持未饱和状态。根据实验和数值模拟结果，其抗盐性归因于：（1）底部水凝胶层能够储存大量水分，保证水供应的同时为上层提供回流驱动力；（2）顶部水凝胶层在储存水分的同时产生补水作用，从而降低局部盐度；（3）持续的水分补充和盐水回流使蒸发表面的盐浓度保持未饱和状态。这种方法为设计用于可持续、高性能太阳能海水淡化的特殊润湿性和界面材料提供了有前景的策略。

引言

淡水资源的稀缺问题日益严重，全球有超过20亿人面临饮用水短缺。太阳能驱动的光热蒸发技术作为一种可持续的清洁水生产方式，因其不依赖能源、环保且成本低廉而受到关注[1,2]。然而，蒸发器的连续运行常常会导致蒸发界面处盐分结晶，这会降低系统的光吸收能力，阻塞水传输路径，并引发材料腐蚀和结垢，从而影响其耐用性[3,4]。因此，开发具有抗盐特性的光热材料或系统对于实现可持续和连续的清洁水生产至关重要。

目前提高抗盐性的主要策略包括离子电动迁移、盐分积累去除、定向盐结晶以及增强扩散/回流方法[[5], [6], [7]]。He等人[8]模仿电鳗的离子通道，制备了由阴离子和阳离子选择性层组成的Janus水凝胶，通过内置电场驱动反向离子迁移以实现盐分排斥。Hu等人[9]开发了一种受叶片启发的织物，具有四层蒸发功能，能够排出残余盐水，防止内部盐分积累。通过垂直通道等手段增强水介质中的扩散和回流，是维持蒸发表面盐浓度未饱和状态的常用方法。Li等人[10]利用碳化木材的天然垂直微通道促进盐分向水体中的持续扩散，从而提高了抗盐性。同样，Zheng等人[11]通过冷冻干燥制备了具有大垂直通道和径向水平通道的水凝胶蒸发器，提高了水传输和盐分回流效果。

除了垂直通道方法外，材料的特殊结构设计也能进一步增强盐离子的扩散和回流，从而提高蒸发器的抗盐性[12,13]。Du等人[14]设计了一种具有梯度界面亲水性的Janus薄膜蒸发器，在15天（30个循环）内保持了约1.65 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率。Hou等人[15]制备了一种双层膜，上层为亲水性碳黑修饰的氧化铜，下层为疏水性聚合物纳米纤维，实现了高蒸发速率和抗盐性。Yang等人[16]设计了基于石墨烯的蒸发器，上层亲水以促进水供应，下层疏水以提供浮力支撑和热绝缘，实现了1.71 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率和优异的盐分排斥性能。这些研究共同表明，战略性结构设计能够提升光热系统的蒸发性能和抗盐性。

碳材料由于出色的光吸收能力，在光热蒸发中表现出优越的性能[17]。特别是碳纳米纤维膜，具有高的光热转换效率和快速的水蒸气传输能力[18,19]。然而，其固有的疏水性限制了水供应，并在长时间运行过程中导致表面盐分积累[20]。这种水分不足和盐分引起的孔隙堵塞双重问题进一步降低了蒸发性能。因此，针对疏水性光热材料（包括碳纳米纤维膜）的结构工程改进方法，为实现可持续、高效的光能驱动清洁水生产提供了有前景的策略。

基于这一概念，我们通过在水疏性碳纳米纤维膜上涂覆亲水性水凝胶，设计了一种具有不对称润湿性的膜（亲水/疏水/亲水，记为i/h/i膜）。与碳纳米纤维膜相比，i/h/i膜的水接触角降低，机械性能得到提升，在单日照条件下的蒸发速率更高。此外，i/h/i膜在连续运行10小时后仍保持其蒸发速率，表明其具有抗盐能力。通过数值模拟计算评估了碳膜和i/h/i膜的水压、水传输速率、温度和盐浓度。最终，户外测试验证了i/h/i膜的高蒸发性能和连续蒸发稳定性。

材料

聚丙烯腈（PAN，分子量=14,900–15,100）购自美国Sigma-Aldrich公司。无水醋酸铜（Cu(CH₃COO)₂，≥98 wt%；冰醋酸（99.5%）；戊二醛（50%）；壳聚糖（CS，脱乙酰化程度>90%）；聚乙烯醇（PVA，1750 ± 50%）；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）；硫酸镁（99%）；氯化钠（NaCl，99.5%）；氯化钾（99.5%）；氯化钙（96%）由国药化学试剂有限公司提供。