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Nature Nano:自加热膜蒸馏膜实现高盐水接近100%脱盐

http://www.water.hc360.com2017年06月22日09:20 来源:膜分离技术交流T|T

    慧聪水工业网 将制备出的自加热的焦耳加热器蒸馏过程结合,在膜表面直接加热高盐水获得的单程回收率高达100%,且能在高度腐蚀和离子化的环境运行。相关的研究成果《Frequency-dependent stability of CNT Joule heaters in ionizablemedia and desalination processes》发表于杂志《Nature Nanotechnology》上,通讯作者为加州大学河滨分校化学与环境工程学院的助理教授DavidJassby,DOI:10.1038/NNANO.2017.102

    反渗透(RO)是海水淡化的实际标准技术,但是RO不能处理高渗透压的液体,如RO产生的废盐水等。这就需要用到热脱盐工艺了,如膜蒸馏(membrane distillation,MD),因为这些工艺对于盐度并不敏感。

    在膜蒸馏中,在疏水膜两侧的热盐水和冷馏出物之间存在着温度梯度,驱动水蒸气透过膜,且阻止了液态水和溶解盐的通过。

    这些高盐度的热盐水腐蚀性很高,需要耐腐蚀且昂贵的金属,如镍合金,来制备换热器。能否直接在膜/盐水界面提供水蒸发的热能?这样可以降低能量密度并简化基于膜蒸馏的脱盐材料选择和系统设计流程。

    一层薄、多孔和导电的碳纳米管(下称CNT)膜沉积在膜表面,直接和盐水接触,可以作为焦耳加热器(jouleheater)来驱动整个膜蒸馏脱盐过程。

    虽然以前也有过相关的基于碳纳米管的焦耳加热器研究,但是大部分是应用于非离子化环境中,例如嵌入屏蔽介质(聚合物或玻璃)或用于空气中。在过去的研究中,直流电为这些CNT表面提供能量。

    但是在可离子化介质中加热所需的较大电势会导致CNT膜的快速电化学降解,因此一个多孔的薄膜焦耳加热器元件就可以在高腐蚀性和可电离环境中正常工作,而不会阻碍膜材料本身性能的热变换驱动分离和催化过程。

    当电流通过导体时,电子的动态能转变为热能,也就是焦耳热效应(jouleheatingeffect)。以前报道中的薄膜焦耳加热器都是使用的诸如氧化铟锡、CNTs、金属纳米线等。广泛应用于玻璃除霜和热变色显示等。

    相对来说,CNTs的低费用和能够形成导电多孔的膜让其成为热驱动分离脱盐过程中焦耳加热器的理想材料。

    目前几乎所有报道的CNT焦耳加热器都是在低电离化环境中,应用的高电压(10-20Vpp)并不能离子化周围的介质,才使得CNTs维持了它们的未定型和热转移性能。然而在如高浓度盐水等可离子化介质中,低阳极电位(<2Vd.c.)会让膜表面荷电、水裂解和快速降解。尽管聚合物涂层可以将CNT与环境屏蔽,但是这些涂层会阻挡多孔膜的结构,并在热CNT网格和流体之间形成一个额外的热障碍。

    因此怎么样寻找到一种方法,既能防止CNT降解,同时维持CNT的多孔结构并最大化加热元件和流体之间的热传输。

    作者报道了一种多孔薄膜CNT焦耳加热器的制备方法,能够稳定运行于高度可离子化环境中。通过为多孔CNT膜施加交流电,可以在高盐度的环境中长时间运行并没有降解。通过研究电化学阻抗谱(EIS),研究了交流电不同频率下CNT结构的稳定性,并用这些数据开发了一种捕获电子通路的等效电路,通过CNT结构和周围盐水作为功能频率。最后,课题组证明了高频的交流电可以用来加热CNT膜,产生在膜蒸馏过程或高浓度盐水脱盐过程中水/蒸汽界面所需要的热驱动力。

    a)传统膜蒸馏过程:热盐水在疏水膜一侧流动,冷馏出液在另一侧流动,在膜两侧形成蒸汽压力差b)直接表面加热的杂化膜蒸馏膜,由多孔CNT焦耳加热器和疏水多孔支撑组成,冷盐水在膜表面加热,驱动水蒸气通过疏水支撑进入馏出液中,使得溶解离子留下

    用羧酸CNTs和PVA逐层喷涂的方法制备高度导电、亲水和多孔的薄膜,沉积在疏水多孔的PTFE膜支撑体上。测试了CNT膜在不同电场环境下的稳定性等性能。

    制备出的CNT-PVA焦耳加热器证明可以在高度腐蚀和离子化的环境中直接加热,即使暴露于非常高的电势(20Vpp)的条件下也没有降解,用此焦耳加热器应用于膜蒸馏过程来对高盐卤水进行脱盐。完全荷电的双电层(EDL)的形成会导致电化学反应和CNT降解,且双电层和系统整体的阻抗和交流电的频率有密切关系。制备的CNT-PVA焦耳加热器应用于膜蒸馏过程中,在10kHz条件下操作未降解,证明了在膜表面的直接加热料液获得的单程回收率(single-passrecovery)接近100%,超过了标准的膜蒸馏过程的理论最大预测值。开发的此种焦耳加热器对于处理高盐水具有很大的潜力,且能简化膜蒸馏系统设计,对于在活性、离子化环境中的大部分热驱动过程有极大的提升。此种装置可以和光电板等可再生能源耦合,减少碳足迹,增加技术的可持续性。

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责任编辑:殷莹莹

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