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Nature Nanotechnology:不锈钢丝布除了刷碗,还能用于高效膜蒸馏获得淡水

Nature Nanotechnology:不锈钢丝布除了刷碗,还能用于高效膜蒸馏获得淡水Nature Nanotechnology:不锈钢丝布除了刷碗,还能用于高效膜蒸馏获得淡水

Nature Nanotechnology:不锈钢丝布除了刷碗,还能用于高效膜蒸馏获得淡水

研究背景

Nature Nanotechnology:不锈钢丝布除了刷碗,还能用于高效膜蒸馏获得淡水

淡水资源的重要性,对人类来说不言而喻。除了保护宝贵的淡水资源不受工业废水和卤水的污染外,脱盐在利用咸水资源方面发挥着重要作用。传统的热脱盐方法,如多效蒸馏(MED)和多级闪蒸(MSF),能够对卤水进行脱盐或浓缩处理,该方法甚至能突破反向渗透(RO)的盐度限制,但需要复杂的基础设备和偏高的资金成本。

膜蒸馏(MD)是一种膜参与的热过程。在MD中,疏水多孔膜将加热的盐水进料流和冷却的渗透流分离。进料流和渗透流之间的温差在水蒸气的部分蒸汽压力下产生一个梯度,推动其在膜上的传输。通过膜扩散后,水蒸气在渗透侧凝结,产生纯水。然而,其固有的缺陷导致了非常低的热效率。

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图1 在电热SHMD中,六方氮化硼作为SSWC的多功能涂层。

a) 膜-盐水界面的直接表面加热保持了沿膜长度的跨膜温度梯度,逆转了进料侧的温度极化

b) 有限差分热质传递模型表明,在SHMD膜模块中,随着表面热量输入和标准化膜面积的增加,平均水通量显著且持续增加;右:水采收率;MF,in,进料流质量流量;Am膜面积。

c) 金属网结构使有效的焦耳加热和热量的空间分布,与hBN-SSWC核壳结构允许有效的热交换,同时阻止任何电荷迁移传质过程

有研究提出,在膜-溶液界面直接加热进料流,能突破这些限制(图1a)。但种种研究表明,无论怎样调整脱盐系统,都存在电化学腐蚀。而电热镀膜要成为实际脱盐技术的一部分,必须具备以下条件:(1)耐蚀性好;(2)导电性高;(3)导热性高;(4)与周围盐水绝缘良好;(5)孔隙率高。

六方氮化硼(hBN)是一种范德瓦尔斯层状材料,单层氮化硼具有与石墨烯非常相似的晶格结构。它具有许多理想的性能,包括可调厚度、超滤饱和表面、绝缘带隙大、介电常数高、优异的导热性、抗强酸和强碱的化学稳定性以及高渗透。因此,hBN已被证明是一种很有前途的钝化涂层,可用于恶劣环境下的化学活性基底。更重要的是,与其他保护性涂层材料如石墨烯、聚合物和原子层沉积涂层相比,hBN的电绝缘性和高导热性与它对电子、盐离子、气体和水分子的不渗透性结合在一起(图1c),尤其吸引人,因为它在允许快速热传递的同时提供了完美的化学和电屏障。

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成果简介

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在此,来自美国莱斯大学的Pulickel M. Ajayan、Jun Lou、李麒麟等人,报道了高质量hBN纳米涂层在不锈钢丝布(SSWC)表面(hBN-SSWC)的生长,及其作为可伸缩电热加热材料在表面加热膜蒸馏中的应用。

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成果亮点

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1. 新型hBN-SSWC具有优良的透汽性、导热性、电绝缘和防腐性能,这些性能对于长期的表面加热膜蒸馏性能至关重要,特别是在高盐溶液中。

2. 将hBN-SSWC负载到商业滤膜上,并提供一个家用交流电频率,研究者证明了hBN-SSWC能够实现超高功率密度(50 kW m−2)的淡化咸水环境解决方案,具有非常高的水通量(吞吐量),单次水回收和热利用效率,同时保持稳定的极佳材料。

3. 同时,研究者还演示了hBN-SSWC在可伸缩和紧凑的螺旋缠绕电热膜蒸馏模块中的卓越性能。

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图文解读

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2 SSWC上高质量hBN纳米涂层的生长

a) hBN-SSWC的SEM图像;插图展示了原始的镀有hbN涂层的小型海洋生物保护区的照片

b)hBN-SSWC的拉曼光谱

c)hBN-SSWC的B 1s (188.9 eV)和N 1s (396.4 eV)的XPS谱。

d)不同放大率下hBN-SSWC的截面TEM图像。

e)层间间距为~3.6 ÅhBN层的原子级高分辨TEM。

f)hBN-SSWC高角度环形暗场成像(HAADF)和基本截面视图

g)在- 20-20V的测试电压下hBN纳米涂层在交叉方向具有优良的电荷绝缘性能。

h)不同盐浓度下hBN-SSWC的电化学阻抗谱数据。

在SSWC上生长高品质hBN使用传统的低压化学气相沉积方法在400网格数的SSWC上直接生长hBN纳米涂层(图2a)。hBN生长后,SSWC变为深褐色,并保持其多孔结构和良好的柔韧性。拉曼光谱(图2b)显示了一个位于1366 cm−1的强而窄的峰,其最大值一半处的全宽(半宽)为23 cm−1,表明hBN的结晶度很高。XPS(图2c)显示了突出的N 1s和B 1s峰,用单高斯分布很好地拟合,峰中心分别位于396.4 eV和188.9 eV。这些峰以及化学计量原子比(B:N = 50:50)表明,hBN涂层是高质量的,没有元素掺杂。透射电子显微镜(TEM)图像(图2d)证实了生长后的hBN的层状结构,在观察区域的厚度为80-100 nm。原子分辨TEM(图2e)显示hBN呈层状结构,层间间距为~3.6 Å,晶格常数为~2.3 Å。能量色散光谱图(图2f)显示了在整个hBN层中B和N元素分布均匀,hBN层与SS基底之间有清晰的界面。

通过施加直流电压(图2g)表征了hBN纳米涂层的电导率。在应用特区电压−20-20 V之间时,它显示阻力大于3×1012 Ω之间(图2 g的插图),允许hbN涂层SSWC的高功率输入应用。电化学阻抗谱数据表明,hBN-SSWC的阻抗在大范围盐浓度(图2h)和pH值的溶液条件下均保持不变。

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3 hBN-SSWC支持SHMD的高能输入

a) 电热SHMD实验系统原理图

b) 目前生产的原始SSWC和hbn涂层SSWC。

c) 不同功率密度下的膜通量;插图显示了通量与能量强度(EI)的非线性关系。

d) 进料出水盐浓度和渗透hBN-SSWC SHMD

e) hBN-SSWC SHMD的HUEsp和进料回收。

f) hBN-SSWC SHMD的通量和HUEsp与文献资料的比较。

由hBN-SSWC焦耳加热实现的SHMD。高质量的hBN纳米涂层(图2a-f)及其防护屏障功能(图2g,h)表明hBN-SWWC可用于高效电热SHMD。通过将原始或有hbN涂层的SSWC附着在一个定制的SHMD电池的进料室PVDF膜的顶部,研究者在不同输入功率密度(1-50 kW m-2)下,在单次操作模式下对高盐水进行脱盐(100 g l-1 NaCl)(图3a)。对当前生产(图3b)、膜通量(图3c)、出水盐浓度(图3d)以及进料和渗透液的进水和出水温度进行了监测。当输入功率密度从1增加到50 kW m-2时,膜通量从0.32±0.03非线性地增加到42.7±0.8 kg m-2 h-1,但始终保持99.9%的盐排斥率。常规MD中,通量为>30 kg m-2 h-1,跨膜温差(T)为30-50℃,而∆T随膜长减小,实现大型膜组件的高温温差是工艺规模扩大的主要挑战。该研究在,进料流温度∆T,局部膜通量随膜模块长度增加(图1a,b)。因此,模块的平均膜通量随着模块长度的增加而增加。在50 kW m−2时,高膜通量产生了高度浓缩的盐水(302.9 g l−1),相当于67.0%的单次水采收率。

先前报道的SHMD研究,无论是光热还是电热,都能获得更高的单程热利用效率(HUEsp),但在低输入能量强度下,通量是有限的(图3f等)。hBN-SSWC的高导电性和优异的保护性能,使其能够进行高能输入(50 kW m−2),从而实现HUEsp和流量值分别为56.8%和42.7 kg m−2 h−1;图3e,f),比传统的MD或以前报道的SHMD高得多。

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4 SSWC在SHMD的涂层使其长期运行

a-b) 在功率输入为40kW m−2的条件下,100小时内的膜通量、进料回收率(a)和当前产量(b)

c) 在操作前(左)和操作后(右)100小时1366 cm−1处的拉曼强度图,显示出具有粘性的、均匀的涂层。

d) 操作后hBN-SSWC的XPS深度剖面(左),元素深度比及1s和N 1s结合能(右)。

e) hBN-SSWC在100g L−1 NaCl溶液中操作前后的Tafel曲线。

hBN-SSWC在SHMD运行中的稳定性。通过在恒功率输入密度为40 kW m−2和不同进料流量(1,0.5和0.17 ml min−1)下运行SHMD系统100小时,hBN-SSWC的长期稳定性得到了评估。从通量(图4a)、进料回收率和渗透液质量(盐浓度~5 mg L-1)来看,在所有操作条件下性能都非常稳定。在所有进料流量下,当前产量也稳定在0.89±0.03 A,表明进料流量或盐水浓度的影响可以忽略不计(图4b)。实验100 h后hBN-SSWC的拉曼映射(图4c)和XPS表征(图4d)显示hBN纳米涂层无明显变化。Tafel测试进一步证实了hBN-SSWC在SHMD实验前后的变化可以忽略不计(图4e),说明hBN纳米涂层没有降解或损伤

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5 放大hBN-SSWC制备及其在新型螺旋缠绕电热SHMD中的应用。

a) 长85厘米,宽2厘米的大hBN-SSWC的合成

b) 新型螺旋缠绕电热SHMD原理图。

c) 螺旋形电热SHMD制造过程的照片。FI、PI、FO、PO分别为进料(F)和渗透(P)的进口(I)和出口(O), d为反应器的直径。

d) 在不同的进料浓度和功率输入强度下的HUEsp和进料回收率。

e)比较RO、MSF、MED、MVC和本研究数据在吞吐量和给水盐浓度方面的差异。

新型的螺旋电热SHMD中放大的hBN-SSWCSSWC的柔韧性和多孔结构有利于hBN涂层在普通管式炉中大规模生长。在该研究中,hBN-SSWC样品为2 cm×85 cm,在4.6 cm管径的炉中制备(图5a)。进料流在两个膜片之间形成的通道中流动,而冷渗透流在“袋”外面流动(图5b,c)。与板框结构(图3a)相比,螺旋缠绕模块具有更高的膜填充密度(676 m2 -3),因此大大降低了给定膜面积的系统占用面积。在输入36.5 kW m2功率时,体积能量强度达到23.2 kW L1,对100 g L1 NaCl进行脱盐产生了42.4 kg m2 h1通量,与40 kW m2 (33.8 kg m2 h1)时的平板-框架结构相比,提高了30.7%。同样,反应器的HUEsp从56.8%增加到(图3f)到79.1%(图5d等)。

当使用输入功率为36.5 kW m−2淡化100 g L−1氯化钠溶液时,螺旋缠绕的高存储密度和反应器HUEsp模块,得到了非常高的吞吐量(单位体积产生的清洁水反应堆体积单位时间)的27.0 L L−1 h−1(图5e)。

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小  结

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研究者在SSWC上成功地生长了高质量的hBN纳米涂层,使其成为SHMD中高效稳定的焦耳加热器。hBN涂层作为高盐水和SSWC之间的质量和电荷交换的良好屏障,同时允许有效的传热。当与SHMD中的商用PVDF膜相结合时,hBN-SSWC能够通过家庭频率(50 Hz)的电源实现高盐水的高性能脱盐,同时产生非常高的模块规模的水通量、单次水回收、反应器热利用效率和接近饱和的盐水。在长期运行中,hBN-SSWC也表现出极佳的稳定性,没有观察到的(电)化学降解或刮擦hBN-SSWC。

在本研究中,材料与系统设计的协同结合证明了纳米材料的独特性能——当战略性地整合到一个过程中时——可用于解决具有高度挑战性的工程问题,并克服传统技术的局限性。

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原文信息

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Zuo, K., Wang, W., Deshmukh, A. et al. Multifunctional nanocoated membranes for high-rate electrothermal desalination of hypersaline waters. Nat. Nanotechnol.(2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-00777-0

原文链接:

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

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