太陽能光熱膜親疏水調(diào)控：解鎖水處理效能的關(guān)鍵密碼

太陽能光熱膜親疏水調(diào)控：解鎖水處理效能的關(guān)鍵密碼一、引言1.1研究背景與意義水，作為生命之源，是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性資源。然而，隨著全球人口的持續(xù)增長、工業(yè)化進(jìn)程的加速以及氣候變化的影響，水資源短缺和水污染問題日益嚴(yán)峻，已成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。據(jù)聯(lián)合國水機(jī)制發(fā)布的《2024年聯(lián)合國世界水資源開發(fā)報(bào)告》顯示，全球仍有22億人無法獲得安全的飲用水，35億人缺乏安全管理的衛(wèi)生設(shè)施，水資源緊張局勢加劇了世界范圍內(nèi)的沖突。2023年更是過去30多年來全球河流水量最少的一年，全球超過50%的集水區(qū)出現(xiàn)異常，大部分流域水量偏低，南美洲的亞馬遜河和的的喀喀湖水位降至有觀測記錄以來的最低水平。面對如此嚴(yán)峻的水資源危機(jī)，開發(fā)高效、可持續(xù)的水處理技術(shù)迫在眉睫。膜分離技術(shù)作為一種高效的水處理技術(shù)，憑借其高效、可連續(xù)化操作且可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，在海水淡化、工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。常見的膜分離技術(shù)包括微濾、超濾、納濾和反滲透等，它們通過利用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動力，對不同組分進(jìn)行分離、純化和富集。然而，傳統(tǒng)的膜分離技術(shù)，如電滲析、反滲透等，普遍存在熱利用率低、能耗高、工作壓力高以及二次污染等問題。例如，反滲透技術(shù)需要施加較高的壓力來克服滲透壓，導(dǎo)致能耗居高不下；同時，膜的污染和清洗問題也增加了運(yùn)行成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。膜蒸餾技術(shù)作為一種新興的膜分離技術(shù)，以其設(shè)備簡單、適應(yīng)水質(zhì)范圍廣等優(yōu)勢，為解決傳統(tǒng)膜分離技術(shù)的難題提供了新的思路。膜蒸餾采用疏水微孔膜為分隔介質(zhì)，在膜兩側(cè)蒸氣壓差的作用下，揮發(fā)性物質(zhì)透過膜孔到達(dá)滲透側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。它能夠處理反滲透等膜技術(shù)難以處理的高濃度水，且近零排放式膜蒸餾工藝可有效減少廢水外排放量，解決二次污染問題。但是，傳統(tǒng)膜蒸餾技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，其中最主要的是能耗較高和溫差極化現(xiàn)象。傳統(tǒng)的加熱方式需要消耗大量的能源來提高水溫，增加了運(yùn)行成本；而溫差極化現(xiàn)象則會導(dǎo)致膜表面溫度與水體溫度不一致，降低了熱效率和傳質(zhì)效率，進(jìn)而影響膜蒸餾的性能。為了克服傳統(tǒng)膜蒸餾技術(shù)的不足，光熱膜蒸餾技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。光熱膜蒸餾技術(shù)將光熱轉(zhuǎn)化過程與膜蒸餾相結(jié)合，利用光熱轉(zhuǎn)化材料將吸收的太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，對進(jìn)料液進(jìn)行加熱。這種技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢：首先，光熱膜蒸餾的加熱過程局限于膜表面，減少了輸送熱進(jìn)料溶液時產(chǎn)生的熱損失，有效解決了傳統(tǒng)膜蒸餾的溫差極化問題，提高了熱效率；其次，太陽能作為一種清潔能源，取之不盡、用之不竭，使用太陽能驅(qū)動光熱膜蒸餾，實(shí)現(xiàn)了零排放和低能耗，符合可持續(xù)發(fā)展的理念；此外，該技術(shù)還具有設(shè)備簡單、進(jìn)料濃度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在海水、苦咸水脫鹽淡化及工業(yè)廢水循環(huán)再利用等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。在光熱膜蒸餾技術(shù)中，光熱膜的親疏水調(diào)控起著至關(guān)重要的作用。膜的親疏水性直接影響著水的傳輸性能、光熱轉(zhuǎn)換效率以及膜的抗污染能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)。具有良好親水性的膜能夠促進(jìn)水在膜內(nèi)的傳輸，保證水蒸發(fā)過程中水輸送供應(yīng)的順暢，提高產(chǎn)水通量；而疏水性的膜表面則有利于阻止水分子進(jìn)入膜孔，維持膜的完整性和穩(wěn)定性，同時減少膜污染的發(fā)生。通過合理調(diào)控光熱膜的親疏水性，可以優(yōu)化膜的性能，進(jìn)一步提升光熱膜蒸餾技術(shù)在水處理中的效率和質(zhì)量，為解決水資源危機(jī)提供更有效的技術(shù)支持。因此，開展太陽能光熱膜的親疏水調(diào)控在水處理中的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，太陽能光熱膜的親疏水調(diào)控在水處理領(lǐng)域受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，取得了一系列重要研究成果。在國外，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)通過在光熱膜表面修飾特殊的化學(xué)基團(tuán)，成功實(shí)現(xiàn)了膜表面親疏水性的精確調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)，親水性的膜表面能夠有效促進(jìn)水分子的吸附和傳輸，提高水蒸發(fā)速率；而疏水性的膜表面則有助于阻止鹽離子在膜表面的沉積，減少膜污染，提高膜的穩(wěn)定性和使用壽命。該研究為光熱膜的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。韓國的科研人員利用納米技術(shù)制備了具有納米級粗糙度的光熱膜，通過調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，實(shí)現(xiàn)了對膜表面親疏水性的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種具有特殊納米結(jié)構(gòu)的光熱膜在海水淡化過程中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，產(chǎn)水通量和脫鹽率都有顯著提高。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)的沈少華教授課題組基于水熱碳化法，構(gòu)筑了具有表面親水改性的Cu@C核殼結(jié)構(gòu)光熱材料，實(shí)現(xiàn)了對光熱膜表面親疏水性的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，親水C層的包覆使得原本疏水的Cu核表面潤濕性得到改善，強(qiáng)化了固-液界面熱傳遞過程，提高了熱-蒸汽轉(zhuǎn)換能力，該光熱膜的太陽能光熱界面水蒸發(fā)效率高達(dá)94.6%。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所的江河清研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了具有不對稱結(jié)構(gòu)的Janus光熱膜，利用光熱膜下層的親水特性促進(jìn)水向膜表面?zhèn)鬏?，同時利用光熱膜表面疏水性控制表面水的分布，有效解決了鹽析問題，實(shí)現(xiàn)了鹽的收集，提高了光熱膜在海水淡化中的性能和穩(wěn)定性。盡管國內(nèi)外在太陽能光熱膜的親疏水調(diào)控在水處理中的應(yīng)用研究取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。一方面，目前對于光熱膜親疏水調(diào)控的機(jī)制研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論模型來解釋親疏水性與膜性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，這限制了對光熱膜性能的進(jìn)一步優(yōu)化。另一方面，現(xiàn)有的光熱膜材料在長期運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和耐久性還有待提高，實(shí)際應(yīng)用中面臨著膜污染、光熱材料降解等問題，影響了光熱膜蒸餾技術(shù)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。此外，不同親疏水調(diào)控方法對光熱膜制備工藝的影響以及如何實(shí)現(xiàn)制備工藝的優(yōu)化和規(guī)?；a(chǎn)，也是當(dāng)前研究中需要解決的重要問題。本研究將針對上述不足，深入探究太陽能光熱膜親疏水調(diào)控的機(jī)制，通過優(yōu)化光熱膜材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高光熱膜的穩(wěn)定性和耐久性，同時探索高效、低成本的制備工藝，為太陽能光熱膜在水處理領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)保障。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于太陽能光熱膜的親疏水調(diào)控在水處理中的應(yīng)用，具體研究內(nèi)容如下：光熱膜材料的選擇與制備：調(diào)研現(xiàn)有的光熱膜材料，綜合考慮材料的光吸收性能、光熱轉(zhuǎn)換效率、化學(xué)穩(wěn)定性以及成本等因素，篩選出適合本研究的光熱材料。通過共混紡絲、表面涂敷、原位改性、材料組裝等工藝，制備具有不同親疏水特性的光熱膜。研究制備工藝參數(shù)對光熱膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，優(yōu)化制備工藝，提高光熱膜的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。光熱膜親疏水調(diào)控機(jī)制研究：采用接觸角測量儀、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等先進(jìn)的表征手段，深入分析光熱膜表面的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分與親疏水性之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過理論計(jì)算和模擬，研究水分子在光熱膜表面的吸附、擴(kuò)散和蒸發(fā)過程，揭示光熱膜親疏水調(diào)控對水傳輸性能和光熱轉(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制。建立光熱膜親疏水特性與水處理性能之間的定量關(guān)系，為光熱膜的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。光熱膜蒸餾性能測試與分析：搭建光熱膜蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置，以海水、苦咸水和工業(yè)廢水等為處理對象，測試不同親疏水特性光熱膜的蒸餾性能，包括產(chǎn)水通量、脫鹽率、能耗等關(guān)鍵指標(biāo)。研究進(jìn)料液濃度、溫度、流速以及光照強(qiáng)度等操作條件對光熱膜蒸餾性能的影響，優(yōu)化操作條件，提高光熱膜蒸餾的效率和穩(wěn)定性。分析光熱膜在長期運(yùn)行過程中的性能變化，研究膜污染的形成機(jī)制和影響因素，探索有效的抗污染措施，延長光熱膜的使用壽命。光熱膜在實(shí)際水處理中的應(yīng)用研究：選擇典型的水資源短缺地區(qū)或工業(yè)廢水排放企業(yè)，開展光熱膜在實(shí)際水處理中的中試實(shí)驗(yàn)。評估光熱膜蒸餾技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，為其大規(guī)模推廣應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，對光熱膜蒸餾系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)與之配套的預(yù)處理和后處理工藝，提高整個水處理系統(tǒng)的性能和可靠性。1.3.2研究方法為了實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用以下研究方法：文獻(xiàn)調(diào)研法：廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解太陽能光熱膜親疏水調(diào)控在水處理中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，總結(jié)前人的研究成果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。梳理光熱膜材料的種類、制備方法、親疏水調(diào)控技術(shù)以及在水處理中的應(yīng)用案例，分析現(xiàn)有研究中存在的問題和不足，明確本研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究法：通過實(shí)驗(yàn)制備不同親疏水特性的光熱膜，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能表征。搭建光熱膜蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置，開展光熱膜蒸餾性能測試實(shí)驗(yàn)，研究光熱膜親疏水調(diào)控對水處理性能的影響。設(shè)計(jì)多組對比實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究制備工藝參數(shù)、操作條件等因素對光熱膜性能的影響規(guī)律，優(yōu)化光熱膜的制備和應(yīng)用條件。利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，如傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、X射線光電子能譜儀（XPS）等，對光熱膜的化學(xué)成分和表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，為揭示親疏水調(diào)控機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。理論分析法：運(yùn)用表面化學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)理論，建立光熱膜親疏水調(diào)控與水傳輸性能、光熱轉(zhuǎn)換效率之間的理論模型。通過理論計(jì)算和模擬，分析水分子在光熱膜表面的行為和相互作用，預(yù)測光熱膜在不同條件下的性能表現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，如COMSOLMultiphysics等，對光熱膜蒸餾過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究溫度場、濃度場和速度場的分布規(guī)律，優(yōu)化光熱膜蒸餾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，完善理論模型，提高理論分析的準(zhǔn)確性和可靠性。二、太陽能光熱膜及親疏水調(diào)控基礎(chǔ)2.1太陽能光熱膜概述2.1.1光熱膜材料分類與特點(diǎn)太陽能光熱膜作為光熱膜蒸餾技術(shù)的核心部件，其性能直接影響著整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率和水處理效果。光熱膜材料的種類繁多，根據(jù)其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，大致可分為無機(jī)材料、有機(jī)材料以及復(fù)合材料三大類。無機(jī)材料在光熱膜領(lǐng)域中具有重要地位，主要包括金屬納米材料、無機(jī)半導(dǎo)體材料和碳基材料等。金屬納米材料，如貴金屬納米顆粒（金、銀、鉑等），憑借其獨(dú)特的局域表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)，能夠在特定波長范圍內(nèi)強(qiáng)烈吸收光，并將光能高效轉(zhuǎn)化為熱能。例如，金納米顆粒在500-800nm的可見光范圍內(nèi)具有卓越的光吸收性能，光熱轉(zhuǎn)換效率較高。然而，貴金屬納米材料的成本高昂，且在制備和應(yīng)用過程中容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致其穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。無機(jī)半導(dǎo)體材料，如二氧化鈦（TiO?）、氧化鋅（ZnO）等，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的熱導(dǎo)率和較寬的光譜吸收范圍。以TiO?為例，它不僅能夠吸收紫外線，還能在可見光和近紅外光區(qū)域有一定的吸收，通過光生載流子的復(fù)合產(chǎn)生熱能。但其光吸收能力相對較弱，需要進(jìn)行表面修飾或與其他材料復(fù)合來提高光熱性能。碳基材料，如石墨烯、碳納米管等，具有優(yōu)異的光電性能、高電導(dǎo)率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。石墨烯具有超高的比表面積和良好的光熱轉(zhuǎn)換性能，能夠有效地吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化為熱能。此外，碳基材料還具有成本低、制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在光熱膜領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，碳基材料的疏水性較強(qiáng)，不利于水的傳輸，需要對其進(jìn)行親水性改性以提高水蒸發(fā)性能。有機(jī)材料在光熱膜制備中也得到了廣泛應(yīng)用，主要包括有機(jī)小分子化合物及聚合物材料。有機(jī)小分子化合物，如聚吡咯、聚苯胺等，具有良好的光吸收性能和可加工性。聚吡咯在可見光和近紅外光區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，能夠通過π-π共軛體系實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。但有機(jī)小分子化合物的穩(wěn)定性較差，在高溫和強(qiáng)光照射下容易發(fā)生降解。聚合物材料，如聚乙烯醇（PVA）、聚偏氟乙烯（PVDF）等，具有良好的成膜性、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。PVA具有優(yōu)異的親水性和良好的成膜性能，能夠保證水在膜內(nèi)的順暢傳輸；PVDF則具有良好的疏水性和化學(xué)穩(wěn)定性，適合用于制備耐污染的光熱膜。然而，聚合物材料的光熱轉(zhuǎn)換效率相對較低，通常需要添加光熱添加劑來提高其光熱性能。為了綜合發(fā)揮無機(jī)材料和有機(jī)材料的優(yōu)勢，克服單一材料的不足，復(fù)合材料在光熱膜領(lǐng)域的研究和應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。復(fù)合材料通常是將無機(jī)光熱材料與有機(jī)聚合物通過共混、原位聚合、表面修飾等方法復(fù)合而成。例如，將金屬納米顆粒或碳基材料與聚合物復(fù)合，可以提高復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)換效率和機(jī)械性能；將無機(jī)半導(dǎo)體材料與有機(jī)小分子化合物復(fù)合，可以改善材料的光吸收性能和穩(wěn)定性。復(fù)合材料不僅能夠充分利用各組成材料的優(yōu)點(diǎn)，還可以通過調(diào)控材料的組成和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對光熱膜性能的精確調(diào)控，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，復(fù)合材料的制備工藝相對復(fù)雜，需要解決不同材料之間的相容性和界面結(jié)合問題，以確保復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性。2.1.2光熱膜的光熱轉(zhuǎn)換原理光熱膜的光熱轉(zhuǎn)換過程是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其原理涉及到光的吸收、能量轉(zhuǎn)換和熱傳遞等多個物理過程。當(dāng)太陽光照射到光熱膜表面時，光熱膜材料中的光子與材料中的電子、原子或分子相互作用，光子的能量被吸收，從而引發(fā)材料內(nèi)部的電子躍遷、分子振動或轉(zhuǎn)動等激發(fā)態(tài)過程。這些激發(fā)態(tài)過程導(dǎo)致材料內(nèi)部的能量增加，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)了光到熱的轉(zhuǎn)換。不同的光熱膜材料具有不同的光吸收機(jī)制。對于金屬納米材料，其光吸收主要源于局域表面等離子體共振效應(yīng)。當(dāng)金屬納米顆粒受到光照射時，其表面的自由電子會在光的電場作用下發(fā)生集體振蕩，形成局域表面等離子體。這種局域表面等離子體與入射光的頻率發(fā)生共振時，會強(qiáng)烈吸收光的能量，使金屬納米顆粒的溫度迅速升高，從而實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。無機(jī)半導(dǎo)體材料的光吸收則主要基于其能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時，光子可以激發(fā)半導(dǎo)體材料中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成光生載流子（電子-空穴對）。這些光生載流子在復(fù)合過程中會釋放出能量，以熱能的形式表現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。碳基材料的光吸收主要是由于其共軛結(jié)構(gòu)和π電子云的存在。共軛結(jié)構(gòu)能夠與光子發(fā)生相互作用，吸收光子的能量，使π電子躍遷到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的π電子在回到基態(tài)的過程中會釋放出熱能，完成光熱轉(zhuǎn)換。光熱轉(zhuǎn)換效率是衡量光熱膜性能的重要指標(biāo)，它受到多種因素的影響。首先，光熱膜材料的光吸收性能是決定光熱轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一。具有良好光吸收性能的材料能夠最大限度地吸收太陽光，為光熱轉(zhuǎn)換提供充足的能量來源。材料的光吸收性能與其化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌等密切相關(guān)。例如，通過調(diào)控金屬納米顆粒的尺寸、形狀和表面等離子體共振頻率，可以增強(qiáng)其對特定波長光的吸收能力；優(yōu)化無機(jī)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，可以提高其光吸收效率；增加碳基材料的共軛程度和比表面積，可以增強(qiáng)其對光的吸收能力。其次，材料的熱導(dǎo)率也對光熱轉(zhuǎn)換效率有重要影響。熱導(dǎo)率較高的材料能夠快速將光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量傳遞出去，減少熱量在材料內(nèi)部的積累，從而提高光熱轉(zhuǎn)換效率。此外，光熱膜的表面結(jié)構(gòu)和粗糙度也會影響光的反射和散射，進(jìn)而影響光的吸收和光熱轉(zhuǎn)換效率。粗糙的表面可以增加光的散射和吸收路徑，提高光的吸收率，但同時也可能增加熱損失。因此，需要在優(yōu)化光吸收性能的同時，合理設(shè)計(jì)光熱膜的表面結(jié)構(gòu)，以平衡光吸收和熱損失之間的關(guān)系。另外，環(huán)境因素，如光照強(qiáng)度、溫度、濕度等，也會對光熱轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，選擇合適的光熱膜材料和制備工藝，以提高光熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)太陽能的高效利用。2.2親疏水調(diào)控原理2.2.1表面潤濕性的定義與表征表面潤濕性是指液體在固體表面的鋪展能力，它反映了固體表面與液體之間的相互作用程度。這種相互作用涉及到分子間的范德華力、氫鍵以及靜電力等多種力的綜合作用，是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。當(dāng)液體與固體表面接觸時，會形成一定的接觸狀態(tài)，這種狀態(tài)直接影響著液體在固體表面的行為，如吸附、擴(kuò)散和蒸發(fā)等。良好的潤濕性意味著液體能夠在固體表面迅速鋪展，形成均勻的液膜；而較差的潤濕性則會導(dǎo)致液體在固體表面形成孤立的液滴，難以充分接觸和作用。在光熱膜蒸餾過程中，表面潤濕性對水的傳輸和蒸發(fā)效率起著至關(guān)重要的作用。如果光熱膜表面具有良好的親水性，水能夠快速地在膜表面鋪展并與光熱材料充分接觸，從而有效地吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能，促進(jìn)水的蒸發(fā)；相反，如果膜表面疏水性較強(qiáng)，水在膜表面的鋪展受到限制，難以與光熱材料充分作用，會導(dǎo)致水的蒸發(fā)效率降低。接觸角是表征表面潤濕性的重要參數(shù)，它是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處，液-氣界面切線與固-液界面切線之間的夾角。接觸角的大小可以直觀地反映固體表面的親疏水性。當(dāng)接觸角小于90°時，液體能夠在固體表面較好地鋪展，固體表面表現(xiàn)為親水性；接觸角越小，親水性越強(qiáng)，表明固體表面與液體之間的相互作用力較強(qiáng)，液體分子更容易吸附在固體表面并擴(kuò)散開來。例如，在一些親水性較強(qiáng)的光熱膜表面，水滴能夠迅速鋪展，接觸角可小于30°，這使得水能夠快速地在膜表面?zhèn)鬏?，為光熱轉(zhuǎn)換和水蒸發(fā)提供了有利條件。當(dāng)接觸角大于90°時，液體在固體表面的鋪展受到阻礙，固體表面表現(xiàn)為疏水性；接觸角越大，疏水性越強(qiáng)，說明固體表面與液體之間的相互作用力較弱，液體分子傾向于聚集形成液滴，難以在固體表面均勻分布。在疏水性光熱膜中，水滴往往呈現(xiàn)出較高的接觸角，如大于120°，這有助于阻止水分子進(jìn)入膜孔，保持膜的完整性和穩(wěn)定性。當(dāng)接觸角達(dá)到150°以上時，固體表面表現(xiàn)出超疏水性，具有自清潔等特殊性能。超疏水性表面能夠使水滴在表面上滾動，帶走表面的灰塵和污染物，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。除了接觸角，表面自由能也是表征表面潤濕性的重要參數(shù)。表面自由能是指單位面積的表面所具有的能量，它反映了表面分子的活躍程度和表面的穩(wěn)定性。親水性表面通常具有較高的表面自由能，這使得表面分子更容易與水分子相互作用，促進(jìn)液體的鋪展；而疏水性表面的表面自由能較低，液體在其上的鋪展受到限制。表面粗糙度也會對表面潤濕性產(chǎn)生顯著影響。適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙瓤梢栽黾颖砻娴挠行Ы佑|面積，增強(qiáng)表面與液體之間的相互作用，從而改善潤濕性。對于親水性表面，適當(dāng)?shù)拇植诙瓤梢允顾胃玫馗街弯佌?，進(jìn)一步提高親水性；對于疏水性表面，特定的粗糙結(jié)構(gòu)可以形成空氣層，阻止液體與表面的直接接觸，增強(qiáng)疏水性。然而，過度的粗糙度可能會導(dǎo)致表面的不均勻性增加，影響潤濕性的穩(wěn)定性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮接觸角、表面自由能和表面粗糙度等參數(shù)，來全面表征和調(diào)控光熱膜表面的潤濕性。2.2.2親疏水調(diào)控的方法與機(jī)制親疏水調(diào)控是指通過各種物理、化學(xué)方法改變材料表面的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)或形貌，從而實(shí)現(xiàn)對材料表面親疏水性的調(diào)節(jié)。在光熱膜的研究中，親疏水調(diào)控是優(yōu)化膜性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以顯著影響光熱膜的水傳輸性能、光熱轉(zhuǎn)換效率以及抗污染能力等。化學(xué)改性是一種常用的親疏水調(diào)控方法，它主要通過在光熱膜表面引入特定的化學(xué)基團(tuán)來改變膜表面的化學(xué)組成，從而實(shí)現(xiàn)親疏水性能的調(diào)控。例如，通過接枝反應(yīng)在膜表面引入親水性的羧基（-COOH）、羥基（-OH）等基團(tuán)，可以增加膜表面與水分子之間的相互作用力，提高膜的親水性。這些親水性基團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵，促進(jìn)水分子在膜表面的吸附和擴(kuò)散，使水能夠更順暢地傳輸?shù)焦鉄崮け砻?，提高水蒸發(fā)效率。相反，引入疏水性的甲基（-CH?）、氟烷基（-C?F????）等基團(tuán)，則可以降低膜表面與水分子之間的相互作用，使膜表面呈現(xiàn)疏水性。氟烷基由于其低表面能的特性，能夠有效地排斥水分子，減少水在膜表面的吸附，從而提高膜的抗污染能力和穩(wěn)定性?；瘜W(xué)改性方法具有調(diào)控效果顯著、可精確控制引入基團(tuán)的種類和數(shù)量等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)，如可能會對膜的其他性能產(chǎn)生影響，且改性過程較為復(fù)雜，成本較高。物理修飾也是實(shí)現(xiàn)親疏水調(diào)控的重要手段，它主要通過改變光熱膜表面的微觀結(jié)構(gòu)和形貌來調(diào)控親疏水性。其中，表面粗糙度的調(diào)控是一種常見的物理修飾方法。通過光刻、刻蝕、模板法等技術(shù)，可以在光熱膜表面構(gòu)建出納米級或微米級的粗糙結(jié)構(gòu)。對于親水性膜，適當(dāng)增加表面粗糙度可以增大表面與水的接觸面積，提高膜的親水性。例如，在親水性光熱膜表面制備出納米級的凸起或微孔結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能夠增加水與膜表面的接觸點(diǎn)，使水更容易在膜表面鋪展和滲透，從而提高水的傳輸效率。對于疏水性膜，合適的粗糙結(jié)構(gòu)可以形成空氣層，阻止水與膜表面的直接接觸，增強(qiáng)疏水性。如具有微納雙重粗糙結(jié)構(gòu)的光熱膜，在其表面的微觀凸起之間形成了空氣層，當(dāng)水接觸到膜表面時，會被空氣層阻隔，呈現(xiàn)出超疏水性，接觸角可達(dá)到150°以上。此外，通過等離子體處理、激光處理等方法也可以改變膜表面的微觀結(jié)構(gòu)和形貌，進(jìn)而調(diào)控親疏水性。等離子體處理可以在膜表面引入活性基團(tuán)，同時改變表面的粗糙度和化學(xué)組成，從而實(shí)現(xiàn)對親疏水性的調(diào)控；激光處理則可以通過精確控制激光的能量和照射時間，在膜表面形成特定的微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到調(diào)控親疏水性的目的。物理修飾方法具有操作簡單、對膜的本體性能影響較小等優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)控效果可能相對較弱，且對制備工藝的要求較高。除了化學(xué)改性和物理修飾，材料復(fù)合也是一種有效的親疏水調(diào)控策略。通過將親水性材料和疏水性材料復(fù)合在一起，可以制備出具有特殊親疏水性能的光熱膜。例如，將親水性的聚合物與疏水性的納米顆粒復(fù)合，利用納米顆粒的特殊性能和聚合物的成膜性，制備出具有核-殼結(jié)構(gòu)或海島結(jié)構(gòu)的復(fù)合光熱膜。在這種復(fù)合膜中，親水性的聚合物可以提供良好的水傳輸通道，而疏水性的納米顆粒則可以分布在膜表面，調(diào)節(jié)膜的表面性質(zhì)。當(dāng)疏水性納米顆粒在膜表面形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，膜表面呈現(xiàn)疏水性，有利于阻止水分子進(jìn)入膜孔，提高膜的抗污染能力；當(dāng)親水性聚合物在膜表面占主導(dǎo)地位時，膜表面則表現(xiàn)為親水性，促進(jìn)水的傳輸和蒸發(fā)。此外，還可以通過多層復(fù)合的方式，制備出具有梯度親疏水性的光熱膜，以滿足不同的應(yīng)用需求。材料復(fù)合方法能夠綜合發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對光熱膜親疏水性的多元化調(diào)控，但也需要解決不同材料之間的相容性和界面結(jié)合等問題，以確保復(fù)合膜的性能穩(wěn)定性。三、親疏水調(diào)控對水處理效果的影響機(jī)制3.1對水傳輸性能的影響3.1.1親水膜的水傳輸優(yōu)勢親水膜在水處理過程中展現(xiàn)出獨(dú)特的水傳輸優(yōu)勢，這主要?dú)w因于其特殊的表面性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)。具有豐富親水互連孔隙結(jié)構(gòu)的光熱膜，能夠充分利用毛細(xì)管作用，促進(jìn)水快速傳輸?shù)侥け砻?，為光熱膜蒸餾過程提供充足的水源，從而顯著提高產(chǎn)水通量。當(dāng)水與親水膜接觸時，由于膜表面與水分子之間存在較強(qiáng)的相互作用力，如水分子與膜表面的親水基團(tuán)（如羥基、羧基等）之間形成氫鍵，使得水能夠在膜表面迅速鋪展，并在毛細(xì)管力的作用下進(jìn)入膜的孔隙結(jié)構(gòu)。這些孔隙相互連通，形成了高效的水傳輸通道。以一種基于聚多巴胺（PDA）修飾的靜電紡復(fù)合納米纖維親水膜為例，該膜通過靜電紡絲技術(shù)制備，在水解聚丙烯腈（H-PAN）納米纖維的基礎(chǔ)上，引入纖維素納米晶體（CNC）和聚多巴胺（PDA）進(jìn)行增強(qiáng)。水解過程賦予PAN納米纖維豐富的羧基官能團(tuán)，與CNC中的羥基官能團(tuán)形成氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有助于保持膜的結(jié)構(gòu)完整性。PDA修飾后，納米纖維表面粗糙度增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了膜與水的相互作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種復(fù)合纖維膜在油水分離過程中，能夠有效捕獲更多的水，形成油/水/固體界面，從而減少油滴與膜的接觸，并在重力和毛細(xì)管吸力的作用下，使水迅速滲透。其對水包油乳液的分離通量可達(dá)到較高水平，且循環(huán)穩(wěn)定性良好，經(jīng)過多次循環(huán)分離后，膜通量仍能恢復(fù)到接近初始水平。在光熱膜蒸餾系統(tǒng)中，親水膜的這種水傳輸優(yōu)勢表現(xiàn)得更為明顯。當(dāng)光熱膜吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能時，膜表面溫度升高，水分子的運(yùn)動加劇。此時，親水膜內(nèi)部豐富的親水互連孔隙結(jié)構(gòu)能夠快速將下層的水輸送到膜表面，滿足水蒸發(fā)的需求。這種高效的水傳輸過程不僅保證了水蒸發(fā)過程中水供應(yīng)的順暢，還能夠有效地降低膜表面的溫度極化現(xiàn)象。溫度極化是指在膜蒸餾過程中，由于膜表面水的蒸發(fā)，導(dǎo)致膜表面溫度低于主體溶液溫度，從而降低了傳質(zhì)驅(qū)動力。而親水膜能夠及時補(bǔ)充膜表面蒸發(fā)掉的水分，使膜表面溫度保持相對穩(wěn)定，提高了傳質(zhì)效率，進(jìn)而提高了光熱膜蒸餾的產(chǎn)水通量和能量效率。此外，親水膜的水傳輸優(yōu)勢還體現(xiàn)在其對不同水質(zhì)的適應(yīng)性上。無論是淡水、海水還是工業(yè)廢水，親水膜都能夠憑借其良好的親水性和孔隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水的快速傳輸和有效分離。在處理含有一定雜質(zhì)的水時，親水膜的孔隙結(jié)構(gòu)能夠?qū)﹄s質(zhì)起到一定的過濾作用，防止雜質(zhì)堵塞膜孔，保證水傳輸通道的暢通。3.1.2疏水膜在特定場景的作用盡管親水膜在水傳輸性能方面具有顯著優(yōu)勢，但疏水膜在某些特定場景下也發(fā)揮著不可或缺的作用，對于提高水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。在防止膜污染方面，疏水膜具有獨(dú)特的優(yōu)勢。膜污染是膜分離技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)之一，它會導(dǎo)致膜通量下降、分離效率降低以及膜的使用壽命縮短。當(dāng)處理含有有機(jī)物、微生物等污染物的水體時，疏水膜表面由于其疏水性，能夠減少污染物在膜表面的吸附和沉積。這是因?yàn)槭杷缘哪け砻媾c親水性的污染物之間的相互作用力較弱，污染物難以在膜表面附著和生長。例如，在處理含有藻類和有機(jī)物的水體時，疏水膜能夠有效地阻止藻類在膜表面的附著和繁殖，減少有機(jī)物在膜表面的吸附，從而降低膜污染的程度。有研究表明，采用聚偏氟乙烯（PVDF）等疏水性材料制備的膜，在處理含有蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物的溶液時，膜表面的污染程度明顯低于親水膜。這是由于疏水性的PVDF膜表面能夠排斥親水性的有機(jī)物分子，減少了有機(jī)物在膜表面的吸附位點(diǎn)，從而降低了膜污染的風(fēng)險(xiǎn)。在控制蒸發(fā)界面方面，疏水膜也有著重要的應(yīng)用。在膜蒸餾過程中，維持穩(wěn)定的氣液界面是保證蒸餾過程高效進(jìn)行的關(guān)鍵。疏水膜能夠在膜孔內(nèi)形成穩(wěn)定的氣液界面，阻止水分子進(jìn)入膜孔，從而實(shí)現(xiàn)水蒸氣的選擇性透過。以氣隙式膜蒸餾（AGMD）為例，在這種膜蒸餾方式中，疏水膜將熱側(cè)料液與冷側(cè)冷凝面隔開，熱側(cè)料液在膜表面受熱蒸發(fā)，水蒸氣通過膜孔進(jìn)入氣隙，然后在冷側(cè)冷凝面上冷凝成淡水。由于疏水膜的存在，水分子無法進(jìn)入膜孔，只能在膜表面蒸發(fā)，從而保證了氣液界面的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定的氣液界面能夠有效地提高膜蒸餾的傳質(zhì)效率，減少熱量損失，提高系統(tǒng)的能量利用效率。此外，在一些需要精確控制蒸發(fā)速率和蒸發(fā)界面的場景中，如在制備高純度的蒸餾水或?qū)]發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分離時，疏水膜能夠通過調(diào)節(jié)膜的疏水性和膜孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)界面的精確控制，從而滿足特定的工藝要求。3.2對光熱轉(zhuǎn)換效率的影響3.2.1親水性對光熱轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用親水性在光熱轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它通過增強(qiáng)水與光熱材料的接觸，極大地提高了熱傳遞效率，進(jìn)而顯著提升了光熱轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)光熱膜表面具有良好的親水性時，水分子能夠迅速在膜表面鋪展，形成緊密的接觸。這使得光熱材料吸收的太陽能能夠更有效地傳遞給水分子，實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換。親水性表面能夠增強(qiáng)水與光熱材料的接觸，這是提高光熱轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一。親水性表面與水分子之間存在較強(qiáng)的相互作用力，如氫鍵作用，使得水分子能夠緊密地吸附在光熱膜表面。這種緊密的接觸增加了光熱材料與水的接觸面積，使得太陽能能夠更充分地傳遞給水分子，促進(jìn)水分子的激發(fā)和運(yùn)動。以一種基于親水性碳納米管修飾的光熱膜為例，碳納米管表面豐富的羥基等親水基團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵，使水分子在膜表面均勻分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同光照條件下，這種親水性光熱膜對水的加熱速度明顯快于疏水性光熱膜，水溫升高幅度更大。這充分證明了親水性表面能夠增強(qiáng)水與光熱材料的接觸，為光熱轉(zhuǎn)換提供了更有利的條件。增強(qiáng)的水與光熱材料接觸能夠提高熱傳遞效率，從而提升光熱轉(zhuǎn)換效率。在光熱轉(zhuǎn)換過程中，熱傳遞是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響著太陽能的利用效率。親水性表面能夠促進(jìn)水分子在膜表面的擴(kuò)散和流動，使得熱量能夠更快速地從光熱材料傳遞到水體中。當(dāng)光熱膜吸收太陽能后，膜表面溫度升高，親水性表面的水分子能夠迅速吸收熱量，并通過分子間的相互作用將熱量傳遞給周圍的水分子。這種高效的熱傳遞過程能夠減少熱量在光熱膜表面的積累，降低熱損失，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。有研究表明，在光熱膜蒸餾實(shí)驗(yàn)中，親水性光熱膜的熱傳遞效率比疏水性光熱膜提高了20%以上，光熱轉(zhuǎn)換效率也相應(yīng)提高了15%左右。這表明親水性對熱傳遞效率的提升作用顯著，能夠有效提高光熱轉(zhuǎn)換效率。為了進(jìn)一步提高親水性對光熱轉(zhuǎn)換效率的促進(jìn)作用，可以通過優(yōu)化光熱膜的微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。例如，在光熱膜表面構(gòu)建納米級的粗糙結(jié)構(gòu)，增加表面的親水性位點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)水與光熱材料的接觸。研究發(fā)現(xiàn)，具有納米級粗糙結(jié)構(gòu)的親水性光熱膜，其水蒸發(fā)速率比光滑表面的親水性光熱膜提高了30%以上，光熱轉(zhuǎn)換效率也得到了顯著提升。此外，還可以通過選擇合適的親水性材料和光熱材料，優(yōu)化兩者之間的復(fù)合方式，進(jìn)一步提高光熱膜的親水性和光熱轉(zhuǎn)換性能。3.2.2疏水性對光熱轉(zhuǎn)化的影響及應(yīng)用疏水性在光熱轉(zhuǎn)化過程中也有著獨(dú)特的影響和應(yīng)用，尤其是在減少熱量向水體傳遞方面發(fā)揮著重要作用，這對于優(yōu)化光熱膜的性能具有重要意義。疏水性表面能夠減少熱量向水體傳遞，這是其在光熱轉(zhuǎn)化中的一個重要作用。當(dāng)光熱膜表面具有疏水性時，水分子在膜表面的吸附和鋪展受到限制，難以與光熱材料充分接觸。這使得熱量從光熱膜向水體的傳導(dǎo)路徑變長，傳導(dǎo)效率降低，從而減少了熱量向水體的傳遞。以一種基于疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）膜的光熱系統(tǒng)為例，由于PVDF膜表面的疏水性，水分子在膜表面形成孤立的液滴，無法形成連續(xù)的水膜。在光熱轉(zhuǎn)換過程中，熱量主要通過膜表面的熱輻射和少量的熱傳導(dǎo)傳遞給周圍環(huán)境，而向水體的傳導(dǎo)較少。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，與親水性膜相比，疏水性PVDF膜在相同光照條件下，向水體傳遞的熱量減少了30%以上。這種減少熱量向水體傳遞的特性，有助于提高光熱膜表面的溫度，增強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)闇p少了熱量向水體的散失，光熱膜表面能夠積累更多的熱量，使得光熱材料能夠更有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，提高光熱轉(zhuǎn)換的效率。在一些需要高溫環(huán)境的光熱應(yīng)用中，如太陽能蒸汽發(fā)電等，疏水性光熱膜能夠更好地保持膜表面的高溫，提高能量轉(zhuǎn)換效率。疏水性在特定光熱膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也有著重要的應(yīng)用。例如，在一些具有雙層結(jié)構(gòu)的光熱膜中，外層采用疏水性材料，內(nèi)層采用親水性材料。外層的疏水性材料能夠阻止水分子進(jìn)入膜內(nèi)，減少熱量向水體的傳遞，同時保護(hù)內(nèi)層的親水性材料不受外界環(huán)境的影響。內(nèi)層的親水性材料則負(fù)責(zé)促進(jìn)水的傳輸和光熱轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮疏水性和親水性的優(yōu)勢，提高光熱膜的綜合性能。有研究設(shè)計(jì)了一種基于聚多巴胺（PDA）修飾的雙層結(jié)構(gòu)光熱膜，外層為疏水性的PVDF膜，內(nèi)層為親水性的PDA修飾的纖維素膜。在光熱膜蒸餾實(shí)驗(yàn)中，該雙層結(jié)構(gòu)光熱膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，產(chǎn)水通量和脫鹽率都有顯著提高。此外，疏水性還可以用于制備具有特殊功能的光熱膜，如自清潔光熱膜。疏水性表面能夠使水滴在膜表面滾動，帶走表面的灰塵和污染物，保持膜表面的清潔，從而提高光熱膜的光吸收性能和光熱轉(zhuǎn)換效率。3.3對膜污染和穩(wěn)定性的影響3.3.1親疏水特性與膜污染的關(guān)系親疏水特性在膜污染過程中扮演著至關(guān)重要的角色，它與膜表面對污染物的吸附情況密切相關(guān)，深刻影響著膜污染的程度和速度。親水性膜表面憑借其與水分子之間較強(qiáng)的相互作用力，能夠在一定程度上抑制污染物的吸附。當(dāng)親水性膜與含有污染物的水體接觸時，水分子會優(yōu)先在膜表面吸附并形成一層水合層。這層水合層就像一道屏障，阻止了污染物與膜表面的直接接觸，減少了污染物在膜表面的吸附位點(diǎn)。例如，一些親水性的光熱膜表面富含羥基、羧基等親水基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵，使水分子緊密地吸附在膜表面。在處理含有蛋白質(zhì)的廢水時，蛋白質(zhì)分子由于其親水性，更傾向于與水分子相互作用，而不是直接吸附在膜表面。研究表明，親水性膜對蛋白質(zhì)的吸附量比疏水性膜降低了50%以上。這是因?yàn)橛H水性膜表面的水合層有效地排斥了蛋白質(zhì)分子，減少了蛋白質(zhì)在膜表面的沉積，從而降低了膜污染的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，疏水性膜表面由于與水分子的相互作用力較弱，更容易吸附疏水性污染物。疏水性污染物與疏水性膜表面之間存在著較強(qiáng)的范德華力，使得污染物能夠迅速在膜表面附著和聚集。在處理含有油脂的廢水時，油脂分子具有疏水性，它們會在疏水性膜表面迅速鋪展并形成一層油膜。這層油膜不僅會堵塞膜孔，阻礙水的傳輸，還會為其他污染物的吸附提供位點(diǎn)，加速膜污染的進(jìn)程。有研究發(fā)現(xiàn)，疏水性膜在處理含油廢水時，膜通量在短時間內(nèi)就會急劇下降，而親水性膜的膜通量下降相對緩慢。這充分說明了疏水性膜表面更容易吸附疏水性污染物，導(dǎo)致膜污染加劇。通過親疏水調(diào)控，可以有效地減少膜污染，提高膜的使用壽命和分離性能。一種常見的方法是在膜表面引入兩性離子基團(tuán)，構(gòu)建具有特殊親疏水性能的膜表面。兩性離子基團(tuán)同時含有正電荷和負(fù)電荷，能夠與水分子和污染物分子發(fā)生靜電相互作用。在膜表面引入兩性離子基團(tuán)后，膜表面的親水性得到增強(qiáng)，同時對污染物的排斥作用也增強(qiáng)。這是因?yàn)閮尚噪x子基團(tuán)能夠吸引水分子形成水合層，同時排斥污染物分子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種兩性離子修飾的膜在處理含有多種污染物的廢水時，膜污染程度明顯降低，膜通量的下降速率減緩，能夠保持較高的分離性能。此外，還可以通過調(diào)控膜表面的微觀結(jié)構(gòu)和粗糙度，改變膜表面的親疏水特性，從而減少膜污染。例如，在膜表面構(gòu)建納米級的粗糙結(jié)構(gòu)，增加膜表面的親水性位點(diǎn)，同時利用粗糙結(jié)構(gòu)的物理阻擋作用，減少污染物的吸附。研究發(fā)現(xiàn)，具有納米級粗糙結(jié)構(gòu)的親水性膜在處理含有顆粒物的廢水時，能夠有效地阻止顆粒物在膜表面的沉積，降低膜污染的程度。3.3.2親疏水調(diào)控對膜穩(wěn)定性的提升合適的親疏水調(diào)控能夠顯著增強(qiáng)膜材料的耐腐蝕性和抗降解能力，從而有效延長膜的使用壽命，這對于光熱膜在水處理領(lǐng)域的長期穩(wěn)定應(yīng)用具有重要意義。親疏水調(diào)控對膜材料的耐腐蝕性提升具有重要作用。在水處理過程中，膜材料會接觸到各種具有腐蝕性的物質(zhì)，如酸堿溶液、氧化劑等。這些腐蝕性物質(zhì)會與膜材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致膜材料的結(jié)構(gòu)和性能受到破壞。通過親疏水調(diào)控，可以改變膜表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，提高膜材料的耐腐蝕性能。在膜表面引入疏水性的氟烷基基團(tuán)，可以降低膜表面的表面能，使腐蝕性物質(zhì)難以在膜表面吸附和滲透。氟烷基基團(tuán)具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地抵抗酸堿溶液和氧化劑的侵蝕。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過氟烷基修飾的光熱膜在酸性和堿性環(huán)境下的耐腐蝕性能明顯提高，膜的結(jié)構(gòu)和性能在長時間的腐蝕作用下仍能保持穩(wěn)定。此外，親水性的膜表面能夠促進(jìn)水分子在膜表面的擴(kuò)散和流動，及時帶走膜表面的腐蝕性物質(zhì)，減少腐蝕性物質(zhì)在膜表面的積累。這有助于降低腐蝕性物質(zhì)對膜材料的侵蝕作用，提高膜的耐腐蝕性。例如，在處理含有微量氧化劑的廢水時，親水性光熱膜能夠通過水分子的快速流動，將氧化劑迅速稀釋并帶走，從而減少氧化劑對膜材料的氧化作用，保護(hù)膜的性能。親疏水調(diào)控還能夠增強(qiáng)膜材料的抗降解能力。在光熱膜蒸餾過程中，膜材料會受到光照、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，可能會發(fā)生降解反應(yīng)，導(dǎo)致膜的性能下降。合適的親疏水調(diào)控可以改善膜材料的微觀結(jié)構(gòu)和分子間相互作用，增強(qiáng)膜材料的抗降解能力。通過在膜表面引入具有抗氧化性能的基團(tuán)，如酚羥基等，可以提高膜材料的抗氧化能力，減少光照和氧化劑對膜材料的降解作用。酚羥基能夠捕獲自由基，阻止自由基引發(fā)的膜材料降解反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，含有酚羥基修飾的光熱膜在長時間的光照和氧化環(huán)境下，膜的降解程度明顯降低，膜的性能保持較好。此外，親疏水調(diào)控還可以優(yōu)化膜材料的分子排列和結(jié)晶度，增強(qiáng)膜材料的穩(wěn)定性。例如，通過調(diào)控膜材料的制備工藝，使膜材料形成更緊密的分子排列和較高的結(jié)晶度，可以提高膜材料的抗降解能力。高結(jié)晶度的膜材料具有更強(qiáng)的分子間作用力，能夠抵抗外界環(huán)境因素的破壞，延長膜的使用壽命。四、水處理中常用太陽能光熱膜類型及親疏水調(diào)控案例4.1金屬納米材料光熱膜金屬納米材料光熱膜在太陽能光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢，其光熱轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)使其成為水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在眾多金屬納米材料中，Cu基核殼結(jié)構(gòu)光熱膜以其優(yōu)異的性能和可調(diào)控的親疏水特性，受到了廣泛關(guān)注。4.1.1Cu基核殼結(jié)構(gòu)光熱膜的親疏水調(diào)控西安交通大學(xué)沈少華教授團(tuán)隊(duì)在Cu基核殼結(jié)構(gòu)光熱膜的研究方面取得了顯著進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)基于水熱碳化法，成功構(gòu)筑了具有表面親水改性的Cu@C核殼結(jié)構(gòu)光熱膜，實(shí)現(xiàn)了對光熱膜表面親疏水性的有效調(diào)控。在制備過程中，團(tuán)隊(duì)首先采用液相還原法制備出Cu納米顆粒（NPs），這些Cu納米顆粒具有良好的光吸收性能和光熱轉(zhuǎn)換能力。然后，通過葡萄糖水熱碳化的方法，在Cu納米顆粒表面包覆一層無定形碳（C）殼，形成Cu@C核殼結(jié)構(gòu)。通過精確控制Cu納米顆粒的投入量，可以實(shí)現(xiàn)對C殼厚度的調(diào)控，制備出C殼厚度分別為8nm、25nm、80nm的Cu@C核殼結(jié)構(gòu)。透射電鏡圖清晰地展示了Cu@C核殼結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)筑，其中Cu核直徑分布范圍為80-100nm，C殼均勻地包覆在Cu核表面，且Cu核與C殼存在明顯的內(nèi)外分布區(qū)域及界限。元素分布圖進(jìn)一步證實(shí)了Cu元素集中在內(nèi)部中心區(qū)域，而C元素主要環(huán)繞分布在外側(cè)呈空心狀。表面潤濕性能測試表明，未包覆C殼的Cu蒸發(fā)膜呈超疏水特性，其表面接觸角高達(dá)154.89°，并具有明顯的“荷葉效應(yīng)”。這是由于Cu納米顆粒表面的原子排列和電子云分布特性，使其與水分子之間的相互作用力較弱，導(dǎo)致水在其表面難以鋪展。而包覆了C殼的Cu@C蒸發(fā)膜則展現(xiàn)出良好的潤濕性，且潤濕特性隨C殼增厚而降低。這是因?yàn)橛H水的C層包覆在Cu核表面，改變了膜表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，增加了膜表面與水分子之間的相互作用力。C殼中的羥基、羧基等親水基團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵，從而提高了膜表面的親水性。但隨著C殼增厚，C殼內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，阻礙了水的傳輸，導(dǎo)致潤濕性降低。4.1.2性能分析與水處理效果在太陽能光熱界面水蒸發(fā)性能方面，得益于Cu核的局域表面等離激元共振（LSPR）效應(yīng)，所有蒸發(fā)膜都展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。Cu納米顆粒在紅外波長區(qū)域（λ>750nm）具有很強(qiáng)的光吸收能力，能夠有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。然而，C殼對LSPR效應(yīng)存在一定的削弱作用，使得Cu@C蒸發(fā)膜的光熱轉(zhuǎn)換性能整體略低于Cu蒸發(fā)膜，并隨C殼增厚而降低。這是因?yàn)镃殼的包覆改變了Cu核表面的電子云分布和電磁場環(huán)境，抑制了LSPR效應(yīng)的強(qiáng)度。隨著C殼厚度的增加，這種抑制作用更加明顯，導(dǎo)致光熱轉(zhuǎn)換性能下降。盡管Cu@C蒸發(fā)膜的光熱轉(zhuǎn)換性能略低于Cu蒸發(fā)膜，但其太陽能光熱界面水蒸發(fā)（SISG）效率卻遠(yuǎn)高于Cu蒸發(fā)膜，最高可達(dá)94.6%（Cu@C-8），處于Cu基光熱材料的最高水平，甚至超越了絕大多數(shù)貴金屬納米光熱材料。這表明蒸發(fā)膜的光熱轉(zhuǎn)換過程并非決定水蒸發(fā)性能的唯一因素，還包括受蒸發(fā)膜表面親疏水特性以及輸水性能影響的熱-蒸汽轉(zhuǎn)換過程。對于展現(xiàn)出同樣親水特性的Cu@C蒸發(fā)膜，C殼增厚使得Cu-C界面熱阻增大，削弱了固-液界面的熱傳導(dǎo)速率，降低了導(dǎo)熱量，從而使得Cu@C蒸發(fā)膜的SISG效率隨著C殼增厚而降低。盡管如此，Cu@C蒸發(fā)膜的SISG效率整體高于Cu蒸發(fā)膜，說明相較于C殼增厚對固-液界面熱傳導(dǎo)速率的削弱，Cu核表面超疏水特性對蒸發(fā)膜的熱-蒸汽轉(zhuǎn)換過程的限制作用更為明顯。由此可見，超疏水CuNPs的表面親水改性對熱-蒸汽轉(zhuǎn)換過程的改善具有重要貢獻(xiàn)。在水處理效果方面，以海水淡化為例，使用Cu@C核殼結(jié)構(gòu)光熱膜的光熱膜蒸餾裝置能夠有效地將海水中的水分蒸發(fā)出來，實(shí)現(xiàn)海水的淡化。在實(shí)際運(yùn)行過程中，親水性的Cu@C蒸發(fā)膜能夠促進(jìn)水在膜表面的吸附和傳輸，使海水能夠迅速到達(dá)膜表面進(jìn)行蒸發(fā)。而疏水性的Cu蒸發(fā)膜則由于水在其表面的鋪展性差，水蒸發(fā)效率較低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在相同的光照條件和運(yùn)行時間下，使用Cu@C核殼結(jié)構(gòu)光熱膜的裝置產(chǎn)水通量比使用Cu蒸發(fā)膜的裝置提高了50%以上。同時，Cu@C核殼結(jié)構(gòu)光熱膜對海水中鹽離子的截留率也較高，能夠滿足飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樵诠鉄崮ふ麴s過程中，水蒸氣通過膜孔進(jìn)入冷凝側(cè)，而鹽離子則被膜阻擋在進(jìn)料側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了水和鹽的有效分離。4.2碳基材料光熱膜碳基材料光熱膜憑借其優(yōu)異的光電性能、高電導(dǎo)率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在太陽能光熱膜領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。其中，石墨烯光熱膜以其卓越的光熱轉(zhuǎn)換性能和高比表面積，成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。通過對石墨烯光熱膜進(jìn)行親疏水改性，可以進(jìn)一步優(yōu)化其性能，拓展其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。4.2.1石墨烯光熱膜的親疏水改性石墨烯光熱膜的親疏水改性是提升其性能的關(guān)鍵手段，通過表面修飾和復(fù)合其他材料等方法，能夠有效調(diào)控膜的親疏水性，從而提高其水傳輸和光熱性能。表面修飾是實(shí)現(xiàn)石墨烯光熱膜親疏水改性的重要方法之一。中山大學(xué)余樹東助理教授和團(tuán)隊(duì)通過耦合氯化銅作為激光誘導(dǎo)的金屬鹽前驅(qū)體，利用激光加工聚酰亞胺薄膜，不僅獲得了石墨烯，還生成了親水性的氧化銅納米顆粒，借此制備出一種親水性的石墨烯/氧化銅復(fù)合材料光熱涂層。在激光的作用下，聚酰亞胺薄膜發(fā)生碳化，形成石墨烯結(jié)構(gòu)，同時氯化銅分解產(chǎn)生氧化銅納米顆粒，均勻地分布在石墨烯層上。氧化銅納米顆粒具有良好的親水性，其表面的羥基等親水基團(tuán)能夠與水分子形成氫鍵，從而賦予石墨烯光熱涂層親水性。這種親水性的石墨烯光熱涂層在界面蒸發(fā)中表現(xiàn)出色，在一個太陽光照下獲得了2.54kgm?2h?1的蒸發(fā)速率。表面修飾還可以通過化學(xué)接枝的方式引入親水性或疏水性基團(tuán)。例如，利用化學(xué)偶聯(lián)劑將含有羧基、羥基等親水性基團(tuán)的分子接枝到石墨烯表面，能夠增強(qiáng)石墨烯與水分子之間的相互作用，提高膜的親水性。相反，引入含有甲基、氟烷基等疏水性基團(tuán)的分子，則可以降低膜的親水性，使膜表面呈現(xiàn)疏水性。復(fù)合其他材料也是改善石墨烯光熱膜親疏水性能的有效策略。通過將石墨烯與親水性或疏水性材料復(fù)合，可以綜合發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對膜親疏水性的精確調(diào)控。將石墨烯與聚乙烯醇（PVA）復(fù)合，PVA具有良好的親水性和柔韌性，能夠與石墨烯形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。PVA分子中的羥基與石墨烯表面的碳原子形成氫鍵，增強(qiáng)了兩者之間的界面結(jié)合力。這種復(fù)合光熱膜既具有石墨烯的高光熱轉(zhuǎn)換效率，又具有PVA的親水性，能夠有效促進(jìn)水的傳輸和蒸發(fā)。在光熱膜蒸餾實(shí)驗(yàn)中，該復(fù)合光熱膜的產(chǎn)水通量比純石墨烯光熱膜提高了30%以上。此外，將石墨烯與疏水性的聚偏氟乙烯（PVDF）復(fù)合，可以制備出具有疏水性表面的光熱膜。PVDF具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和疏水性，能夠在石墨烯表面形成連續(xù)的疏水層，阻止水分子進(jìn)入膜孔。這種復(fù)合光熱膜在處理含油廢水時，能夠有效地阻止油滴在膜表面的吸附和滲透，提高膜的抗污染能力。4.2.2實(shí)際應(yīng)用案例與效果評估石墨烯光熱膜在污水處理、海水淡化等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，通過實(shí)際應(yīng)用案例的分析，可以更直觀地評估其處理效果和穩(wěn)定性。在污水處理方面，石墨烯光熱膜能夠有效地去除污水中的有機(jī)物、重金屬離子等污染物，實(shí)現(xiàn)污水的凈化和回用。以處理含有有機(jī)染料的廢水為例，某研究團(tuán)隊(duì)采用親水性的石墨烯復(fù)合光熱膜進(jìn)行光熱膜蒸餾處理。在光照條件下，光熱膜吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使廢水溫度升高，水分子蒸發(fā)并通過膜孔進(jìn)入冷凝側(cè)，而有機(jī)染料則被截留。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過處理后，廢水中有機(jī)染料的濃度顯著降低，去除率達(dá)到95%以上。這是因?yàn)橛H水性的光熱膜能夠促進(jìn)水的傳輸，使廢水中的水分子迅速蒸發(fā)，而有機(jī)染料由于分子尺寸較大，無法通過膜孔，從而實(shí)現(xiàn)了水與有機(jī)染料的有效分離。同時，石墨烯的高吸附性能也有助于吸附廢水中的有機(jī)染料，進(jìn)一步提高了去除效果。在長期運(yùn)行過程中，該光熱膜的性能保持穩(wěn)定，經(jīng)過多次循環(huán)使用后，產(chǎn)水通量和染料去除率僅有輕微下降。這表明石墨烯光熱膜具有良好的抗污染能力和穩(wěn)定性，能夠在污水處理中持續(xù)發(fā)揮作用。在海水淡化領(lǐng)域，石墨烯光熱膜同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院馬軍院士團(tuán)隊(duì)與阿卜杜拉國王科技大學(xué)賴志平教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了超高通量納米多孔石墨烯（NG）膜，用于海水淡化。該NG膜通過在高度多孔的陽極氧化鋁載體的頂部邊緣選擇性地形成，為水蒸氣創(chuàng)造了短而快速的傳輸路徑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，NG-800膜的水通量為20至100LMH，平均產(chǎn)水量為86.3LMH，脫鹽率始終高于99.8%。相比之下，商業(yè)聚四氟乙烯（PTFE）MD膜的平均水通量僅為4.1LMH。這表明石墨烯光熱膜在海水淡化中具有更高的水通量和脫鹽率，能夠更高效地實(shí)現(xiàn)海水的淡化。該NG膜在長期運(yùn)行過程中也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。經(jīng)過長時間的海水淡化實(shí)驗(yàn)，膜的水通量和脫鹽率沒有明顯下降，能夠持續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)淡水。這得益于石墨烯的高化學(xué)穩(wěn)定性和良好的機(jī)械性能，使其能夠在高鹽度、強(qiáng)腐蝕性的海水環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。4.3聚合物材料光熱膜4.3.1具有溫敏性的聚合物光熱膜浙江大學(xué)徐志康教授團(tuán)隊(duì)制備的具有“可移動界面”的自除垢Janus蒸發(fā)器，為聚合物材料光熱膜的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了新的思路。該蒸發(fā)器由頂部的Fe?O?/聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）復(fù)合納米纖維層和底部的親水聚丙烯腈（PAN）納米纖維層組成。其中，PNIPAM/Fe?O?納米纖維層集成了Fe?O?納米粒子的光熱效應(yīng)和PNIPAM的溫敏性質(zhì)，這是該光熱膜的核心創(chuàng)新點(diǎn)。Fe?O?納米粒子具有良好的光吸收性能，能夠有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。在光照條件下，F(xiàn)e?O?納米粒子吸收太陽光后，溫度迅速升高。而PNIPAM是一種具有溫敏性的聚合物，其最低共溶溫度（LCST）約為32℃。當(dāng)溫度高于LCST時，PNIPAM分子鏈會發(fā)生收縮，使得膜表面呈現(xiàn)疏水性；當(dāng)溫度低于LCST時，PNIPAM分子鏈伸展，膜表面表現(xiàn)為親水性。在一個太陽光的照射下，F(xiàn)e?O?納米粒子吸光產(chǎn)熱，使得PNIPAM/Fe?O?納米纖維層的溫度達(dá)到73.1℃，遠(yuǎn)高于PNIPAM的LCST。此時，膜表面的PNIPAM分子鏈?zhǔn)湛s，膜表面呈現(xiàn)疏水性，水接觸角為114°。在這種疏水性狀態(tài)下，光熱膜能夠有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)高效的光熱蒸發(fā)。而移除光源后，PNIPAM/Fe?O?納米纖維層的溫度迅速下降。當(dāng)溫度低于PNIPAM的LCST時，PNIPAM分子鏈伸展，膜表面接觸角迅速下降到10°以下，展現(xiàn)出親水性。在100次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，PNIPAM/Fe?O?納米纖維層始終能保持這種可逆的浸潤性轉(zhuǎn)變行為。這種溫敏性聚合物光熱膜的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能，使其能夠在不同的日照條件下，實(shí)現(xiàn)氣液界面的可逆移動，為解決高鹽廢水淡化中的鹽垢問題提供了有效的解決方案。4.3.2獨(dú)特性能在水處理中的優(yōu)勢該光熱膜在不同日照條件下的親疏水轉(zhuǎn)變及自清潔除垢能力，使其在水處理中具有顯著優(yōu)勢，特別是在高鹽廢水淡化領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。在白天日照下，該光熱膜的氣液界面在膜中親水層/疏水層界面處。此時，光熱膜的疏水表面能夠有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)高效的光熱蒸發(fā)。由于氣液界面位于膜內(nèi)部，鹽分在膜表面的堆積得到延緩，從而減少了鹽垢對光熱膜性能的影響。在處理20wt%NaCl原液時，這種高效的光熱蒸發(fā)過程能夠持續(xù)進(jìn)行，水的蒸發(fā)率達(dá)到了1.76kgm?2h?1。這一蒸發(fā)率在同類光熱膜中處于較高水平，表明該光熱膜能夠有效地利用太陽能，實(shí)現(xiàn)高鹽廢水的高效淡化。在夜晚，光熱膜的氣液界面移動到膜的上表面。此時，膜表面呈現(xiàn)親水性，水分可以通過親水毛細(xì)孔道將膜完全潤濕。這種親水性的表面能夠使膜上表面添加的鹽在60分鐘內(nèi)徹底溶解，實(shí)現(xiàn)自清潔。自清潔功能有效地解決了高鹽廢水淡化中鹽垢積累的問題，保證了光熱膜在長期運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和高效性。經(jīng)過連續(xù)運(yùn)行5天后，該光熱膜的蒸發(fā)速率下降小于4%，且上表面無鹽垢沉積。相比之下，傳統(tǒng)的光熱膜在處理高鹽廢水時，由于鹽垢的積累，蒸發(fā)速率會迅速下降，膜的使用壽命也會縮短。在高鹽廢水淡化中，該光熱膜的溫敏性和自清潔除垢能力還能夠降低運(yùn)行成本。傳統(tǒng)的高鹽廢水淡化方法，如反滲透法，需要消耗大量的能源來維持高壓操作，同時還需要定期對膜進(jìn)行清洗和更換，增加了運(yùn)行成本。而該光熱膜利用太陽能作為能源，無需額外的能源消耗，且自清潔功能減少了膜清洗和更換的頻率，降低了運(yùn)行成本。該光熱膜還具有良好的可擴(kuò)展性。通過靜電紡絲技術(shù)，它可以很容易地從實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模制造擴(kuò)大到工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)。這為解決高鹽鹵水的淡化及蒸發(fā)器的長效使用提供了新的思路，有望在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)持久高效的光熱海水淡化。五、太陽能光熱膜親疏水調(diào)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)5.1技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀近年來，太陽能光熱膜親疏水調(diào)控技術(shù)取得了顯著的研究進(jìn)展，在調(diào)控方法、光熱膜材料開發(fā)以及實(shí)際應(yīng)用等方面均有重要成果。在調(diào)控方法上，除了傳統(tǒng)的化學(xué)改性、物理修飾和材料復(fù)合方法外，一些新的調(diào)控策略不斷涌現(xiàn)。例如，通過生物仿生技術(shù)，模擬荷葉、水稻葉等天然材料的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，制備具有特殊親疏水性能的光熱膜。荷葉表面的微納雙重粗糙結(jié)構(gòu)使其具有超疏水性，能夠?qū)崿F(xiàn)自清潔功能。科研人員借鑒荷葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用光刻、納米壓印等技術(shù)，在光熱膜表面構(gòu)建類似的微納結(jié)構(gòu)，成功制備出具有超疏水性的光熱膜。這種光熱膜在水處理過程中，能夠有效防止污染物在膜表面的吸附和沉積，提高膜的抗污染能力。此外，響應(yīng)性材料的應(yīng)用也為親疏水調(diào)控提供了新的思路。一些具有溫度響應(yīng)、pH響應(yīng)、光響應(yīng)等特性的材料，如聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）、聚電解質(zhì)等，能夠在外界刺激下發(fā)生分子結(jié)構(gòu)的變化，從而實(shí)現(xiàn)膜表面親疏水性的可逆調(diào)控。浙江大學(xué)徐志康教授團(tuán)隊(duì)制備的具有“可移動界面”的自除垢Janus蒸發(fā)器，利用PNIPAM的溫敏性質(zhì)，在光照條件下，膜表面溫度升高，PNIPAM分子鏈?zhǔn)湛s，膜表面呈現(xiàn)疏水性，實(shí)現(xiàn)高效的光熱蒸發(fā)；移除光源后，膜表面溫度下降，PNIPAM分子鏈伸展，膜表面表現(xiàn)為親水性，實(shí)現(xiàn)自清潔。這種響應(yīng)性親疏水調(diào)控技術(shù)，為解決光熱膜在水處理過程中的鹽垢問題和膜污染問題提供了新的解決方案。在高性能光熱膜材料的開發(fā)方面，新型光熱膜材料不斷涌現(xiàn)。金屬納米材料光熱膜中，除了前面提到的Cu基核殼結(jié)構(gòu)光熱膜，貴金屬納米顆粒與其他材料復(fù)合的光熱膜也展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。將金納米顆粒與二氧化鈦納米管復(fù)合，制備出的復(fù)合光熱膜不僅具有金納米顆粒的高光熱轉(zhuǎn)換效率，還利用二氧化鈦納米管的高比表面積和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，提高了膜的整體性能。在碳基材料光熱膜領(lǐng)域，石墨烯與其他二維材料復(fù)合的光熱膜成為研究熱點(diǎn)。將石墨烯與六方氮化硼復(fù)合，制備出的復(fù)合光熱膜結(jié)合了石墨烯的優(yōu)異光電性能和六方氮化硼的高導(dǎo)熱性，在光熱轉(zhuǎn)換效率和熱傳遞性能方面都有顯著提升。聚合物材料光熱膜方面，具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的聚合物光熱膜不斷被開發(fā)出來。一些具有多孔結(jié)構(gòu)的聚合物光熱膜，通過調(diào)控孔的大小、形狀和分布，實(shí)現(xiàn)了對水傳輸性能和光熱轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化。具有梯度親疏水性的聚合物光熱膜，能夠在不同的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同的親疏水性能，滿足復(fù)雜的水處理需求。在實(shí)際應(yīng)用方面，太陽能光熱膜親疏水調(diào)控技術(shù)在海水淡化、污水處理、飲用水凈化等領(lǐng)域都得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在海水淡化中，具有親疏水調(diào)控功能的光熱膜能夠有效提高海水的蒸發(fā)效率和淡化效果。如前文所述，哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院馬軍院士團(tuán)隊(duì)與阿卜杜拉國王科技大學(xué)賴志平教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成的超高通量納米多孔石墨烯（NG）膜，用于海水淡化，展現(xiàn)出了超高的水通量和脫鹽率。在污水處理中，親疏水調(diào)控的光熱膜能夠高效去除污水中的有機(jī)物、重金屬離子等污染物。一些親水性的光熱膜能夠促進(jìn)水的傳輸，使污水中的污染物更容易被截留和去除；而疏水性的光熱膜則可以有效防止油類等污染物在膜表面的吸附，提高膜的抗污染能力。在飲用水凈化中，光熱膜親疏水調(diào)控技術(shù)能夠去除水中的微生物、細(xì)菌和病毒等有害物質(zhì)，保障飲用水的安全。具有抗菌性能的親水性光熱膜，通過在膜表面引入抗菌劑或具有抗菌性能的材料，能夠有效殺滅水中的微生物，實(shí)現(xiàn)飲用水的凈化。5.2面臨的挑戰(zhàn)盡管太陽能光熱膜親疏水調(diào)控技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，限制了其大規(guī)模推廣和商業(yè)化應(yīng)用。從光熱膜材料本身來看，能量損失是一個亟待解決的問題。在光熱轉(zhuǎn)換過程中，光熱膜材料不可避免地會出現(xiàn)熱傳導(dǎo)和熱輻射等現(xiàn)象，導(dǎo)致部分能量散失到周圍環(huán)境中，降低了光熱轉(zhuǎn)換效率。在光熱膜蒸餾過程中，膜表面吸收的太陽能一部分會通過熱傳導(dǎo)傳遞到下層的水體中，另一部分則會通過熱輻射散失到空氣中。這不僅浪費(fèi)了能源，還降低了系統(tǒng)的整體性能。某些光熱膜材料在高溫和強(qiáng)光照射下，可能會出現(xiàn)腐蝕或降解現(xiàn)象，從而影響材料的長期穩(wěn)定性和壽命。金屬納米材料在長期使用過程中可能會發(fā)生團(tuán)聚和氧化，導(dǎo)致光熱性能下降；聚合物材料則可能會在高溫和紫外線的作用下發(fā)生降解，影響膜的結(jié)構(gòu)和性能。這些問題都增加了光熱膜的維護(hù)成本和更換頻率，限制了其實(shí)際應(yīng)用。親疏水調(diào)控技術(shù)本身也存在一些技術(shù)難題。目前，親疏水調(diào)控方法往往較為復(fù)雜，需要使用昂貴的設(shè)備和化學(xué)試劑，增加了制備成本。一些化學(xué)改性方法需要在特定的反應(yīng)條件下進(jìn)行，操作過程繁瑣，且可能會對環(huán)境造成一定的污染。精確調(diào)控光熱膜的親疏水性仍然是一個挑戰(zhàn)。不同的水處理場景對光熱膜的親疏水性要求不同，如何根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)對膜親疏水性的精確調(diào)控，以達(dá)到最佳的水處理效果，還需要進(jìn)一步的研究和探索。在處理含有多種污染物的復(fù)雜水體時，需要光熱膜同時具備良好的親水性和抗污染性能，這對親疏水調(diào)控技術(shù)提出了更高的要求。在實(shí)際應(yīng)用方面，光熱膜蒸餾系統(tǒng)的規(guī)?；凸こ袒瘧?yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的光熱膜蒸餾系統(tǒng)大多處于實(shí)驗(yàn)室研究或小規(guī)模示范階段，如何將其放大到工業(yè)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，還需要解決一系列工程問題。光熱膜蒸餾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要考慮多個因素，如膜的面積、結(jié)構(gòu)、組件的排列方式、進(jìn)料液的流動方式等，這些因素之間相互影響，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。光熱膜蒸餾系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性也需要進(jìn)一步提高。在實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)可能會受到天氣變化、水質(zhì)波動等因素的影響，導(dǎo)致性能下降或故障發(fā)生。因此，需要開發(fā)相應(yīng)的控制策略和監(jiān)測技術(shù)，確保系統(tǒng)能夠在不同的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。光熱膜蒸餾技術(shù)與其他水處理技術(shù)的集成和協(xié)同作用也是未來研究的重點(diǎn)之一。如何將光熱膜蒸餾技術(shù)與傳統(tǒng)的水處理技術(shù)，如混凝沉淀、過濾、消毒等相結(jié)合，形成更加高效、經(jīng)濟(jì)的水處理工藝，還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)踐。5.3未來發(fā)展趨勢展望未來，太陽能光熱膜親疏水調(diào)控技術(shù)有望在多個關(guān)鍵方向取得突破，為水處理領(lǐng)域帶來更高效、可持續(xù)的解決方案。新型材料的開發(fā)將是未來研究的重點(diǎn)之一?？蒲腥藛T將致力于探索具有獨(dú)特性能的新型光熱膜材料，以滿足不同水處理場景的需求。具有特殊結(jié)構(gòu)的二維材料，如過渡金屬硫族化合物（TMDs），它們具有優(yōu)異的光電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，有望成為新型光熱膜材料的候選者。通過對TMDs的原子結(jié)構(gòu)和電子特性進(jìn)行調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對其光熱性能和親疏水性能的精確控制。開發(fā)具有自修復(fù)性能的光熱膜材料也是一個重要方向。這類材料在受到損傷時能夠自動修復(fù)，從而延長光熱膜的使用壽命，降低維護(hù)成本。一種具有自修復(fù)功能的聚合物光熱膜，通過在聚合物中引入動態(tài)化學(xué)鍵，如二硫鍵、氫鍵等，當(dāng)膜材料受到損傷時，動態(tài)化學(xué)鍵能夠發(fā)生重排和重組，實(shí)現(xiàn)膜的自修復(fù)。優(yōu)化膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是提高光熱膜性能的關(guān)鍵。未來的光熱膜結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜和精細(xì)，以實(shí)現(xiàn)更高的光熱轉(zhuǎn)換效率和水傳輸性能。設(shè)計(jì)具有多級孔結(jié)構(gòu)的光熱膜，通過不同尺度的孔道協(xié)同作用，既可以提高水的傳輸效率，又能增強(qiáng)光的吸收和散射，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。一種具有納米孔和微米孔的雙尺度孔結(jié)構(gòu)光熱膜，納米孔能夠促進(jìn)水的快速傳輸，微米孔則可以增加光的散射，提高光的吸收率，從而實(shí)現(xiàn)高效的光熱膜蒸餾。開發(fā)具有智能響