Trasformare l'idrofilicità intrinseca di Ti3C2Tx MXene in superidrofobicità per un'efficiente desalinizzazione della membrana fototermica

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3315 (2022) Citare questo articolo

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Grazie alla sua capacità teorica di respingere il sale al 100%, la distillazione a membrana (MD) è emersa come un promettente approccio alla desalinizzazione dell’acqua di mare per affrontare la scarsità di acqua dolce. L'MD ideale richiede un elevato flusso di permeato di vapore stabilito dal gradiente di temperatura tra le membrane (∆T) e un'eccellente durabilità della membrana. Tuttavia, è difficile mantenere un ∆T costante a causa della perdita di calore intrinseca sul lato dell'acqua di alimentazione derivante dalla continua transizione acqua-vapore e prevenire incrostazioni e incrostazioni della membrana indotte dalla transizione bagnante. Qui sviluppiamo una membrana Ti3C2Tx MXene che conferisce un efficiente effetto fototermico localizzato e una forte idrorepellenza, ottenendo un aumento significativo del tasso di produzione di acqua dolce e della stabilità. Oltre all'effetto fototermico che evita la perdita di calore, Ti3C2Tx MXene, altamente conduttivo elettricamente, consente anche l'autoassemblaggio di nanosfere polimeriche gerarchiche uniformi sulla sua superficie tramite spruzzatura elettrostatica, trasformando l'idrofilicità intrinseca in superidrofobicità. Questa ingegneria interfacciale rende la distillazione a membrana fototermica efficiente dal punto di vista energetico e ipersalina con un elevato tasso di produzione di acqua sotto un'irradiazione solare.

La desalinizzazione dell’acqua di mare continua a essere parte integrante del portafoglio idrico per affrontare la sfida sempre crescente della scarsità di acqua dolce in tutto il mondo. Nonostante gli sforzi estesi e i notevoli progressi, la maggior parte delle tecnologie esistenti comporta un elevato dispendio energetico e una gestione impegnativa della salamoia, soprattutto quando si trattano soluzioni ipersaline1,2,3,4,5. Recentemente, la distillazione a membrana (MD), un processo emergente basato su membrana a comando termico, ha dimostrato vantaggi significativi, come un elevato rifiuto di sale, un elevato recupero di acqua dal trattamento della salamoia attraverso l'integrazione sinergica con l'osmosi inversa (RO) e un'elevata compatibilità con fonti rinnovabili. fonti energetiche6,7,8,9,10,11. In un tipico processo di distillazione a membrana a contatto diretto (DCMD), l'acqua salina calda (alimentazione) e l'acqua purificata fredda (permeato) scorrono sui lati opposti di una membrana idrofobica, stabilendo un gradiente di temperatura attraverso la membrana (∆T) che guida l'acqua Transizione da -a vapore (Fig. 1a). Fungendo sia da mezzo per il trasporto del vapore che da barriera contro la permeazione diretta del liquido, la membrana idrofobica consente efficacemente il trasporto del vapore dal lato di alimentazione al lato permeato e di condensarsi in acqua dolce, respingendo l'acqua liquida e gli ioni sale.

a Il processo MD convenzionale con inefficienza termica e problemi di bagnatura della membrana utilizzando la membrana C-PVDF a causa dell'effetto intrinseco di polarizzazione della temperatura e della concentrazione. Il processo MD prevede il flusso di acqua di mare calda (giallo) e acqua dolce fredda (blu) sui lati opposti di una membrana idrofobica porosa, che consente la permeazione del vapore stabilita dal gradiente di temperatura tra la membrana ∆T, mentre respinge l'acqua liquida e gli ioni sale. La linea blu rappresenta la polarizzazione della temperatura con un progressivo declino di ∆T a causa della perdita di calore intrinseca sul lato dell'acqua di alimentazione come risultato della continua transizione acqua-vapore. L'ombreggiatura di colore giallo rappresenta il calo della temperatura vicino all'interfaccia alimentazione/membrana rispetto alla temperatura di alimentazione iniziale (giallo). La linea grigia rappresenta la polarizzazione della concentrazione con un aumento graduale della concentrazione di sali vicino all'interfaccia, che intensifica la propensione a bagnare la membrana indotta dalla transizione e il ridimensionamento. b Processo PMD ottimizzato con autoriscaldamento superficiale localizzato e stabilità della membrana dipendente dalla superidrofobia grazie alla membrana PM-PVDF. La membrana PM-PVDF consente un ∆T migliorato grazie all'effetto fototermico e alle prestazioni di non bagnabilità dello strato MXene gerarchico superidrofobico con nanosfere polimeriche. La tipica sfumatura di colore rosso rappresenta l'aumento di temperatura in prossimità dell'interfaccia alimentazione/membrana rispetto alla temperatura iniziale di alimentazione (giallo), derivante dal riscaldamento superficiale localizzato per effetto fototermico. c Ingegneria MXene che consente la conversione fototermica e la trasformazione della bagnabilità da idrofilicità a superidrofobicità. A sinistra: immagine TEM di nanofogli di MXene e immagine inserita mostra la conversione fototermica schematica potenziata dall'effetto plasmonico di MXene. A destra: angoli di contatto nello stato iniziale e dopo l'ingegneria con forte idrorepellenza.