多级异质光热海水淡化多孔膜的等离子控制合成及构效

In the solar membrane distillation desalination, ceramic membranes are known to be superior to polymeric membranes due to their special advantages, such as high mechanical properties, better chemical and thermal stability, which have great application prospects as a member of membrane separation family in the desalination. In this study, in order to reduce the solar distillation of energy, environmental and economic costs, porous TiB2-TiC ceramic membranes are fabricated by plasma and the oxide(ZnO, TiO2)/nobel metal(Ag, Au) nanoparticle composites are deposited on the porous ceramic membranes. Finally, the membranes are grafted with fluoroalkylsilane (FAS). The obtained multilevel and heterogeneous membranes can realize the multiple function of fouling resistance, thermal conversion and desalination. In this process, the pore structure can be controlled by the technological parameter. The temperature and the superhydrophobic surface can be well-ordered by the size, shape and structure of the nanostructure. Therelationship between membrane distillation properties, stability and pore structure, photothermal conversion coating, and mechanical property will be established. The local concentrated solar and sun photon converted into heat can be realized by the porous ceramic/nano-coating multilevel heterogeneous membranes, which is expected to be highly energy-efficient and cost-effective for solar power thermal distillation and desalination device.

在太阳能膜蒸馏海水淡化中，陶瓷膜作为分离膜家族中重要的一员，与高分子膜相比，机械强度高，具有更好的热稳定性和化学稳定性，在海水淡化领域有巨大的应用前景。本研究针对降低太阳能驱动热蒸馏的能源、环境以及经济成本，提出利用常压直流等离子加热合成TiB2-TiC多孔陶瓷膜，在多孔陶瓷膜上生长氧化物(ZnO、TiO2)/贵金属纳米颗粒(Ag、Au)异质结构，最后对制备的材料进行硅烷化处理，构建多级异质结构多孔膜，并实现抗污、光热转化、海水淡化等多功能性。通过控制工艺参数获得孔结构可控的多孔材料和控制纳米结构的尺寸、形状和结构来控制温度及表面超疏水性，最终建立膜蒸馏性能、稳定性与孔结构、光热涂层结构、力学性能的关系及控制理论。利用多孔陶瓷/纳米涂层多级异质膜实现表面局部聚光太阳能，将太阳光转换成热，实现一体式太阳能蒸馏，这对研制高效、低成本光热海水淡化膜及太阳能海水淡化装置的优化具有重要意义。

太阳能驱动的界面蒸发是一种可持续的、绿色的海水淡化和废水净化方法，因其有望解决全球淡水危机而备受关注。光热材料是实现高效稳定海水淡化的关键。针对如何提高光热材料光热转化效率及稳定性，本课题利用常压等离子束合成系列多孔TiB2-TiC、TiB2-Ti (C, N)陶瓷材料和多孔NiAl金属间化合物材料，可实现孔结构可控；对一系列光吸收材料进行探究，主要包括氧化物（TiO2、ZnO、WOx、MoOx）、硫化物(WS2、MoS2)、碳材料（CNT、石墨烯）；将部分光吸收材料与多孔TiB2-TiC、TiB2-Ti (C, N)陶瓷材料和多孔NiAl金属间化合物材料结合，构建多级异质结构。课题同时扩展了多孔气凝胶的研究，可扩展多孔陶瓷及多孔金属间化合物的制备方法。研究结果表明，与制备的其他二维膜及多孔金属基光热材料相比，多孔陶瓷和金属间化合物基光热材料在光热转化效率及稳定性方面，展现出更加优异的海水淡化性能。课题开展过程中共发表SCI学术论文39篇，出版专著1部，获授权发明专利9项，申请发明专利5项，获国家技术发明奖二等奖、山东省科学技术奖一等奖、中国航空学会科学技术奖二等奖各1项，培养博士研究生4名、硕士研究生19名。研究成果为丰富光热材料理论及技术、扩大光热材料的应用，推动太阳能海水淡化发展，具有重要意义。