“膜”法升级！石墨烯助力太阳能膜蒸馏新体系

2  基于石墨烯阵列结构的吸光材料兼具高吸光率、超亲水性和水下超疏油性，通过太阳能局域化加热实现高效光热转换。

3  污水/盐水不直接与薄膜接触，吸光材料与膜之间存在间隙，纯净蒸汽通过膜对侧的循环水冷凝，有效防止膜表面的污染和积盐。

太阳能膜蒸馏一般采用疏水多孔膜，在膜的一侧通过吸光材料将太阳能转换为热能，加热污水/盐水形成纯净蒸汽，在膜的另一侧通过循环水冷凝后实现净化/淡化。

然而，传统太阳能膜蒸馏在能量利用效率和膜抗污染两个方面存在问题。一方面，吸光材料产生的热量直接加热大量污水/盐水，导致显著的热损失，光-淡水转换效率一般低于55%。

另一方面，颗粒状吸光材料直接附着在多孔膜表面，污水/盐水直接与膜接触，污染物/盐极易在膜表面沉积，连续运行时间一般低于8小时。现有大量研究集中在对吸光材料的改进上，但无法从根本上解决传热和膜污染问题。

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浙江大学薄拯课题组与澳大利亚昆士兰理工大学K. Ostrikov院士课题组、美国内华达大学雷诺分校G. P. Xiong教授课题组合作，结合太阳能局域化加热和传统膜蒸馏的优点，提出了一种太阳能间隙式膜蒸馏新体系。

该体系采用了基于石墨烯阵列的泡沫状吸光材料，其吸光率高达97.1%，兼具超亲水性和水下超疏油性。利用石墨烯纳米通道的毛细作用吸收污水/盐水，进而形成太阳能局域化加热。

这一方式使得吸光材料不加热大量给水，而是在局部范围内将太阳能光热用于加热所吸收的污水/盐水，实现光-淡水转换效率的显著提升（73.4%，热损耗低于10%）。

与此同时，与传统颗粒状吸光材料附着于膜表面不同，该系统在吸光材料与膜中间设有1 mm左右的间隙，避免了膜与污水/盐水的直接接触。纯净蒸汽通过膜对侧的循环水冷凝，有效防止膜表面的污染和积盐。

本文提出的太阳能间隙式膜蒸馏新体系兼具太阳能局域化加热和传统膜蒸馏的优点，实现了太阳能光热高效转换和利用，可应用于连续式污水净化和海水淡化，具有很好的工业应用前景。

太阳能间隙式膜蒸馏工作原理

以泡沫镍为骨架生长石墨烯阵列，并在表面修饰亲水涂层，形成兼具高吸光率、超亲水性和水下超疏油性的吸光材料（图1a）。

通过毛细作用将污水/盐水吸收到吸光材料表面，形成太阳能局域化加热，降低热损耗（图1b）。

在吸光材料和膜之间设置间隙，避免膜与污水/盐水的直接接触（图1c）。在间隙区域形成的纯净蒸汽通过膜对侧的循环水进行冷凝，实现污水净化和盐水淡化（图1d）。

图1 太阳能间隙式膜蒸馏工作原理。(a)基于石墨烯阵列的吸光材料，(b)太阳能局域化加热，(c) 吸光材料与膜之间形成间隙，(d)工作原理和(e)性能。

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光热转换

吸光材料利用纳米通道的毛细作用可快速吸收污水/盐水，15秒内吸水速率为0.48 mm/s（图2e,f）。光吸收范围覆盖可见光、紫外和红外波段，1 s内温升12.7 °C，20 s秒后温度稳定在63.2 °C（图2g,h），实现具有高效、快速光热转换功能的太阳能局域化加热。

图2. 多功能独立式吸光材料。(a)材料照片，(b,c,d) SEM图片，(e,f)吸水速率曲线，(g,h)吸光材料温度，(i)吸光率。

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光-淡水转换

吸光材料仅加热吸收到其表面的少量水分，底部大量污水/盐水的温升仅约0.6 °C（图3b）。光-淡水转换效率达73.4%，显著优于传统太阳能膜蒸馏系统（图3c）。热损耗低于10%（图3d）。

图3 光-淡水转换 (a)装置示意图，(b)蒸汽和给水温升曲线，(c)光-淡水转换效率，(d)能量平衡计算。