Transformando a hidrofilicidade intrínseca do Ti3C2Tx MXene em superhidrofobicidade para dessalinização de membrana fototérmica eficiente

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3315 (2022) Citar este artigo

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Devido à sua capacidade teórica de rejeição de sal de 100%, a destilação por membrana (MD) emergiu como uma abordagem promissora de dessalinização da água do mar para lidar com a escassez de água doce. O MD ideal requer alto fluxo de permeado de vapor estabelecido pelo gradiente de temperatura da membrana cruzada (∆T) e excelente durabilidade da membrana. No entanto, é difícil manter ∆T constante devido à perda de calor inerente no lado da água de alimentação resultante da transição contínua de água para vapor e evitar a incrustação e incrustação da membrana induzida pela transição umectante. Aqui, desenvolvemos uma membrana projetada por Ti3C2Tx MXene que confere efeito fototérmico localizado eficiente e forte repelência à água, alcançando um aumento significativo na taxa e estabilidade da produção de água doce. Além do efeito fototérmico que evita a perda de calor, o Ti3C2Tx MXene de alta condutividade elétrica também permite a automontagem de nanoesferas poliméricas hierárquicas uniformes em sua superfície por meio de pulverização eletrostática, transformando a hidrofilicidade intrínseca em superhidrofobicidade. Esta engenharia interfacial torna a destilação de membrana fototérmica hipersalina estável e eficiente em energia com uma alta taxa de produção de água sob uma irradiação solar.

A dessalinização da água do mar continua a ser parte integrante do portfólio de água para enfrentar o desafio cada vez maior da escassez de água doce em todo o mundo. Apesar dos esforços extensos e do progresso notável, a maioria das tecnologias existentes envolve alto gasto de energia e gerenciamento desafiador de salmoura, especialmente ao tratar soluções hipersalinas1,2,3,4,5. Recentemente, a destilação por membrana (MD), um processo emergente baseado em membrana acionado termicamente, demonstrou vantagens significativas, como alta rejeição de sal, alta recuperação de água do tratamento de salmoura por meio de integração sinérgica com osmose reversa (RO) e alta compatibilidade com fontes renováveis fontes de energia6,7,8,9,10,11. Em um processo típico de destilação por membrana de contato direto (DCMD), água salina quente (alimentação) e água purificada fria (permeado) fluem nos lados opostos de uma membrana hidrofóbica, estabelecendo um gradiente de temperatura (∆T) através da membrana que impulsiona a água transição -para-vapor (Fig. 1a). Servindo como um meio para o transporte de vapor e uma barreira contra a permeação direta de líquidos, a membrana hidrofóbica permite efetivamente que o vapor seja transportado do lado de alimentação para o lado de permeado e condense em água doce, enquanto rejeita água líquida e íons de sal.

a O processo MD convencional com ineficiência térmica e problemas de umedecimento da membrana usando membrana C-PVDF devido à temperatura inerente e ao efeito de polarização da concentração. O processo MD envolve fluxo de água do mar quente (amarelo) e água doce fria (azul) em lados opostos de uma membrana hidrofóbica porosa, que permite a permeação de vapor estabelecida pelo gradiente de temperatura ∆T através da membrana, enquanto rejeita a água líquida e os íons salinos. A linha azul representa a polarização de temperatura com um declínio progressivo de ∆T devido à perda de calor inerente no lado da água de alimentação como resultado da transição contínua de água para vapor. O sombreamento amarelo representa o declínio da temperatura perto da interface alimentação/membrana em comparação com a temperatura inicial de alimentação (amarelo). A linha cinza representa a polarização da concentração com um aumento gradual da concentração de sais próximo à interface, o que intensifica a propensão à incrustação e descamação da membrana induzida pela transição úmida. b Processo PMD otimizado com autoaquecimento localizado da superfície e estabilidade da membrana superhidrofóbica dependente da membrana PM-PVDF. A membrana PM-PVDF permite o ∆T aprimorado por efeito fototérmico e desempenho não umectante pela camada superhidrofóbica hierárquica de MXene com nanoesferas poliméricas. O sombreamento típico da cor vermelha representa o aumento de temperatura perto da interface alimentação/membrana em comparação com a temperatura inicial de alimentação (amarelo), resultante do aquecimento superficial localizado através do efeito fototérmico. c Engenharia MXene que alcança conversão fototérmica e transformação de molhabilidade de hidrofilicidade para superhidrofobicidade. Esquerda: imagem TEM de nanofolhas de MXene e imagem inserida mostra a conversão fototérmica esquemática aprimorada por efeito plasmônico de MXene. Direita: ângulos de contato no estado inicial e após a engenharia com forte repelência à água.