《Desalination》：Enhanced permeability and resistance to scaling-induced wetting performance for solar-driven desalination membrane with octopus arm-sucker structure
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本研究设计了一种仿生“八爪鱼触手-吸盘”纳米结构的太阳能驱动膜蒸馏（SDMD）膜，结合碳纳米管（CNTs）和硫代β-环糊精（SH-β-CDs）层叠结构，同步提升光吸收与蒸汽传输效率。优化膜在1秒阳光照射下实现97.5%光热转换效率，水通量达1.73 kg·m?2·h?1，较纯CNT膜提升2.1倍。SH-β-CDs形成的纳米涡流抑制盐结晶，结合PDMS-MTES交联维持超疏水表面，户外海水淡化中产水率达11.07 L·m?2·day?1。
丁明梅|洪庆顺|李高|胡成志
中国科学院生态环境科学研究院环境水化学国家重点实验室，北京，100085，中国
摘要
太阳能驱动的膜蒸馏（SDMD）是实现可持续淡水生产的一种有前景的解决方案，但其实际应用受到高蒸汽透过性与抗结垢润湿性能之间固有权衡的限制，同时光热转换效率也有限。在这项工作中，我们的目标是设计一种受生物启发的光热膜，该膜采用了“章鱼触手吸盘”纳米结构，其中碳纳米管（CNTs）作为“触手”，硫醇化β-环糊精（SH-β-CDs）作为“吸盘”。这种结构能够同时提高膜的光捕获能力和蒸汽传输效率，从而实现快速的蒸汽生成和传输。优化后的膜在1太阳光照下，对于3.5%重量的NaCl溶液，实现了1.73 kg·m?2·h?1的卓越水通量和97.5%的光热转换效率。此外，类似吸盘的β-CDs会产生纳米级涡流，这些涡流充当非均匀成核屏障，有效抑制盐结晶，赋予膜出色的抗结垢和抗润湿性能。在户外反渗透浓缩液的淡化过程中，该膜表现出稳定且高的产水率，达到11.07 L·m?2·day?1。这项工作提供了一种开创性的“一石二鸟”的设计策略，为高效耐用的SDMD系统铺平了道路。
引言
全球水资源短缺危机日益严重，人口增长和水质恶化加剧了这一趋势，迫切需要强大且可持续的淡化技术[1]。反渗透（RO）、纳滤和多效蒸馏（MED）已成为将咸水转化为淡水的经典膜技术[2]、[3]。然而，高能耗和基础设施建设的需求限制了这些技术在偏远地区的应用[4]。膜蒸馏（MD）结合了膜分离和蒸馏过程，由于其占地面积小、对盐度不敏感以及几乎不产生浓缩水排放而成为一种有前景的淡化技术[5]。然而，传统MD的广泛应用受到其固有能耗的阻碍，主要与加热大量进料溶液有关。此外，普遍存在的温度极化效应会导致热驱动力的显著降低[6]。
太阳能驱动的膜蒸馏（SDMD）通过利用丰富的可再生能源——太阳能，在膜-进料界面进行局部加热，成为缓解这些挑战的有希望的方法[7]。在SDMD中，固定在膜表面的光热材料将入射光转化为热能，实现原位蒸汽生成。这一过程减少了热量损失，并缓解了温度极化现象，因为热能直接在相变点传递[8]。SDMD的性能关键取决于两个连续的效率：控制蒸汽生成的光到热转换效率，以及通过膜孔的蒸汽传输效率。因此，优化膜结构对于同时提高光吸收和促进蒸汽扩散至关重要。虽然已有大量研究致力于开发先进的光热材料（如碳同素异形体和等离子体纳米颗粒）以增强光捕获能力，但往往只关注蒸汽透过性，而忽略了实现高通量和保持抗润湿性能之间的固有权衡[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。具体来说，设计具有更开放或更直孔结构的膜虽然有利于蒸汽传输，但可能会无意中降低液体进入压力，增加结垢的可能性，从而导致结垢引起的润湿、孔隙入侵、通量下降和操作故障[14]、[15]。因此，理想的SDMD膜需要一种复杂的结构，既能最大化蒸汽生成和传输，又能内在抵抗这种结垢-润湿失效模式。
受生物启发的方法最近为水处理中的先进材料设计开辟了新的途径[16]。西非加蓬蝰蛇的表面纹理具有多重光散射和内部光反射特性，使其具有优异的光捕获能力。受此启发，李等人[8]在MXene膜表面设计了多种皱褶纹理。这些皱褶的MXene微结构使膜的光到热效率达到86.7%，透过率高达1.33 kg·m?2·h?1
章鱼触手吸盘结构常被视为高效的自然流体捕获和传输范例：触手具有延长的通道形态，便于接触目标物质，而吸盘则具有中空的局部腔体结构，可实现特定位置的接触和相互作用。受这种独特结构及其相关微观相互作用模式的启发，我们假设引入类似的“触手吸盘”特征可能有利于太阳能驱动系统中的界面水传输和蒸汽生成[11]。碳纳米管（CNTs）是一种典型的光热材料，具有类似章鱼触手的条状中空结构，为光吸收和水接触提供了延长的“通道状”平台，通过等离子体共振效应实现高效的光到热转换，支持局部加热[12]、[13]。β-环糊精（β-CDs）由7个通过α-1,4糖苷键连接的葡萄糖残基组成，具有类似章鱼吸盘的中空碗状结构，可以作为局部纳米天线，增强CNTs的局部等离子体场，进一步促进蒸汽生成[14]。此外，β-CD分子具有疏水内部腔体，具有抗润湿性，而其亲水外表面则促进水分子传输[15]。
在这项研究中，我们通过逐层结合硫醇化β-环糊精（SH-β-CDs）和碳纳米管（CNTs），设计了一种章鱼触手吸盘结构，该结构能够同时提高光捕获能力和蒸汽传输效率。这种仿生光热膜实现了1.73 kg·m?2·h?1的出色产水率（几乎是纯CNT膜的2.1倍），光热转换效率高达97.5%。同时，CNTs的网络结构防止了盐分入侵，许多纳米级涡流在类似吸盘的β-CDs结构周围形成，为晶体沉积提供了非均匀成核屏障，从而降低了结垢引起的润湿阻力。膜表面进一步与聚二甲基硅氧烷（PDMS）和MTES交联，保持了高表面疏水性，防止了溶质入侵。这些屏障有效抑制了盐分入侵，赋予膜出色的抗结垢润湿性能。这种受生物启发的膜提供了一种精细的方法，实现了渗透率和抗结垢润湿性能的同时提升，确保了淡化过程的高效稳定运行。
材料
PTFE膜（孔径：0.22 μm；厚度：30 μm）由创伟有限公司（中国浙江）提供。碳纳米管（CNT）来自XFNANO材料科技有限公司（中国南京）。硫醇化β-环糊精（SH-β-CDs）购自志远公司（中国山东）。正己烷、二丁基锡二月桂酸酯（DBTDL）、甲基三乙氧基硅烷（MTES）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）由Aladdin公司（中国上海）提供。本研究中使用的所有化学试剂均为分析级。
碳纳米管（CNTs）和SH-β-CDs的表征
图S3a中的TEM图像显示，多壁碳纳米管（CNTs）具有明确的纳米级直径（10–15 nm）。如图S3b所示，SH-β-CDs的FTIR光谱在2570 cm?1处显示出明显的特征峰，这是S-H伸缩振动的特征，证实了成功的硫醇化[17]、[18]。在3389 cm?1和2929 cm?1处还检测到O-H和C-H伸缩振动特征峰。C-O键的存在通过特征吸收得以确认。
结论
本研究通过引入一种受生物启发的“触手吸盘”结构，改进了SDMD膜的设计，该结构结合了高效的光热加热和工程化的蒸汽管理路径。CNTs和SH-β-CDs的协同组装形成了一个多功能层，同时促进了界面蒸汽生成和加速了蒸汽传输，从而实现了创纪录的高通量。在这种设计中，CNT网络实现了强烈的光热转换，并提供了连续的...
CRediT作者贡献声明
丁明梅：撰写——原始草案、验证、方法学、数据管理。洪庆顺：撰写——审稿与编辑。胡成志：指导、撰写——审稿与编辑、概念化。
利益冲突声明
洪庆顺教授和李高教授分别担任《Desalination》期刊的共同主编和编委会成员。值得注意的是，本手稿的编辑管理和同行评审是由不同的编辑独立完成的。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52330001）和中国博士后科学基金的财政支持。
