工业聚苯砜废料升级再造为高性能无氟光热膜：可持续海水淡化的创新路径

《ACS Environmental Au》：Upcycling Industrial Polyphenylsulfone Waste into a High-Performance, Non-fluorinated Photothermal Membrane for Sustainable Desalination

本文报道了一种将工业聚苯砜（w-PPSU）废料升级再造为高性能非氟化光热膜用于膜蒸馏（MD）的创新策略。该研究通过静电纺丝制备w-PPSU纳米纤维支架，并利用不同比例的黑二氧化钛（b-TiO2）合成的四氧化三铁（Fe3O4/b-TiO2）纳米复合材料进行表面修饰，最后以聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄层密封。最优膜（M-F/bT-50）在最小温差（ΔT = 15 °C）和1 kW m–2光照下，表面温度120秒内升至91.1 °C，水通量达3.27 L m–2h–1，脱盐率99.74%，光热转换效率69.87%。该膜在多次酸性清洗后仍保持高性能，展现了高通量恢复率和可再生性。此工作不仅为高效海水淡化提供了有效材料体系，也为工业聚合物废料增值化、推动循环经济原则提供了可行路径。

　　

引言

膜蒸馏（MD）是一种热驱动的分离过程，其实际效率受到温度极化的显著限制。为应对此挑战，光热膜蒸馏（PMD）作为一种创新方法应运而生，它将光热材料集成到膜表面，实现局部太阳能-热能转换。早期PMD研究主要使用贵金属纳米颗粒，但其高成本和有限吸收范围促使研究转向丰富、低成本的替代品。在各种替代光热材料中，Fe₃O₄纳米颗粒因其广谱吸收、低毒性和生物相容性而具有吸引力，但其性能受到近红外吸收不理想和快速电子-空穴复合的限制。为了克服原始Fe₃O₄的局限性，一种有前景的策略是将其与黑二氧化钛（b-TiO₂）配对，形成复合材料。

材料与方法

本研究利用来自熔喷加工切边和修剪产生的工业后聚苯砜废料（w-PPSU）作为可持续聚合物来源。通过静电纺丝技术制备w-PPSU纳米纤维垫，并以此为支架。光热功能通过合成具有不同组成比例的Fe₃O₄/b-TiO₂（F/bT）纳米颗粒引入，通过喷涂将其锚定在PPSU纳米纤维表面，随后涂覆一层薄的疏水PDMS保护层。PDMS涂层具有双重作用：赋予膜表面疏水性，并将Fe₃O₄/b-TiO₂纳米颗粒牢固地附着在PPSU纳米纤维上，同时其光学透明性和蒸汽渗透性保留了底层的光热和MD功能。

结果与讨论

纳米颗粒表征

成功合成了复合F/bT纳米颗粒，并用作表面改性剂以增强膜的光热性能。表征结果显示，复合F/bT-50纳米颗粒尺寸约为280纳米，EDS图谱证实了Ti、O和Fe在F/bT纳米颗粒中的均匀分布。X射线衍射（XRD）分析证实了复合材料中同时存在Fe₃O₄和b-TiO₂的晶体结构。

膜表征

膜的表面形貌分析显示，原始M-w-PPSU膜呈现均匀纤维，平均直径570纳米。用含有无机填料的PVA溶液喷涂改性后，膜表面出现球形微珠。随着b-TiO₂含量的增加，复合改性膜显示出逐渐致密的表面形态和增加的可见团聚体形成。FTIR分析证实了PPSU和PDMS涂层的特征峰。表面改性后，膜的静态水接触角发生变化，复合F/bT填料改性膜的接触角再次增加，接近未改性膜的值，这归因于无机填料引起的表面粗糙度增加。PDMS涂层的应用显著降低了电纺纳米纤维的孔径，平均孔径从原始支撑物的3.9微米减小到最终复合膜的约1.6-1.3微米，而膜孔隙率保持相对恒定在65-70%之间。液体进入压力（LEP）计算表明，表面改性方法有效增强了膜的抗润湿性，M-F/bT-50膜的LEP最高，为169.23 kPa，比原始M-w-PPSU膜提高了200%以上。

光热性能

改性膜（包括M-Fe₃O₄、M-b-TiO₂和M-F/bT-50）的紫外-可见-红外吸收光谱显示其能够在200至2000纳米的宽光谱范围内吸收光。含有b-TiO₂的改性膜在整个光谱范围内表现出比仅用Fe₃O₄改性的膜更好的光吸收能力。在太阳模拟器的光照下，改性膜的表面温度从室温在30秒内升至约70°C，并在120秒后稳定在80°C以上。表面温度随着b-TiO₂含量的增加而升高，表明b-TiO₂赋予纤维膜有效的光热转换性能。其中，F/bT-50在增强w-PPSU膜的光热性能方面表现出最有效的无机填料组合。

PMD性能

使用3.5 wt% NaCl进料溶液评估制备的膜的PMD性能。性能最佳的M-F/bT-50膜在所有改性膜中表现出最高的水通量，这直接归因于其在太阳照射下能达到最高表面温度的能力。膜表面疏水性阻止了非挥发性盐离子的通过，所有测试膜均表现出超过99%的高脱盐率。这种高且稳定的脱盐率主要归功于最终的PDMS保护涂层，即使在高温条件下也能有效防止孔润湿。在黑暗条件下（0-180分钟），M-w-PPSU膜的水通量最低（约1.5 L m^–2h^–1），而所有纳米颗粒改性膜即使在无光照条件下也观察到显著更高的基线通量。在模拟太阳照射（1.0 kW m^–2）下，由于光热效应，基线性能显著增强。最优配方M-F/bT-50实现了3.27 L m^–2h^–1的最高水通量。在更接近工业相关场景的评估中（进料温度升至60°C），M-F/bT-50膜的通量飙升至约45 L m^–2h^–1，展示了其在可共同利用太阳照射和低品位废热的集成系统中的高效潜力。

PMD膜的性能稳定性

在热密集型PMD条件（60/20°C进料/渗透液）下评估了最优M-F/bT-50膜的运行稳定性和化学稳健性。在连续太阳照射（1.0 kW m^–2）下进行了32小时的循环操作测试。在每个4小时循环内观察到水通量急剧下降，归因于严重的膜结垢。清洗方案（1% HCl冲洗后DI水冲洗）在循环间实施，清洗效果显著，第一个循环后通量恢复率达到100%，后续循环保持在95%以上。重要的是，脱盐率在整个严格测试中始终保持在高约99.7%。循环操作后改性光热层的完整性检查证实，Fe₃O₄/b-TiO₂-PDMS涂层在活性区域保持均匀黑色，无可见分层或变色，水接触角在循环后仅显示可忽略的变化。与其它最先进的光热膜相比，开发的M-F/bT-50膜在脱盐性能方面表现出高度竞争力。

结论

本研究成功展示了一种用于PMD应用的高性能且可持续的光热膜。一个关键创新是膜支撑体本身的开发，通过静电纺丝由w-PPSU制成。PPSU的选择作为一种坚固的非氟化聚合物提供了明显的环境优势，从而减轻了通常与传统氟聚合物相关的环境问题。此外，工业后废料流的增值化为膜技术中的循环经济开辟了一条清晰路径。w-PPSU支撑体用合成的F/bT复合纳米颗粒进行表面改性，并用保护性PDMS层密封。这种改性产生了具有有效光吸收的高度疏水表面。在1 kW m^–2太阳光照射下，性能最佳的膜（M-F/bT-50）实现了3.27 L m^–2h^–1的高水通量、99.74%的脱盐率和69.87%的光热转换效率，说明了一种在升级循环工业聚合物废料为高价值脱盐技术的同时减轻温度极化的有效策略。