효율적인 광열막 담수화를 위해 Ti3C2Tx MXene의 고유 친수성을 초소수성으로 변환

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3315(2022) 이 기사 인용

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100% 이론적 염 제거 능력으로 인해 막 증류(MD)는 담수 부족 문제를 해결하기 위한 유망한 해수 담수화 접근 방식으로 부상했습니다. 이상적인 MD는 막간 온도 구배(ΔT)에 의해 확립된 높은 증기 투과 플럭스와 우수한 막 내구성을 요구합니다. 그러나 지속적인 물-증기 전이로 인한 급수측 고유의 열 손실로 인해 일정한 ΔT를 유지하기 어렵고, 습윤 전이로 인한 막 오염 및 스케일링을 방지하는 것이 어렵습니다. 여기서 우리는 효율적인 국지적 광열 효과와 강력한 발수성을 부여하여 담수 생산 속도와 안정성을 크게 향상시키는 Ti3C2Tx MXene 엔지니어링 멤브레인을 개발합니다. 열 손실을 방지하는 광열 효과 외에도 높은 전기 전도성 Ti3C2Tx MXene은 정전기 분사를 통해 표면에 균일한 계층적 고분자 나노구체의 자가 조립을 허용하여 고유한 친수성을 초소수성으로 변환합니다. 이 계면 엔지니어링은 한 번의 태양 조사 하에서 높은 물 생산 속도로 에너지 효율적이고 염분 함량이 높은 안정적인 광열 막 증류를 제공합니다.

해수 담수화는 전 세계적으로 점점 증가하는 담수 부족 문제를 해결하기 위해 계속해서 물 포트폴리오의 필수적인 부분이 되고 있습니다. 광범위한 노력과 주목할만한 진전에도 불구하고 대부분의 기존 기술은 특히 고염수 용액1,2,3,4,5을 처리할 때 높은 에너지 소비와 까다로운 염수 관리를 수반합니다. 최근 떠오르는 열 구동 막 기반 공정인 막 증류(MD)는 높은 염 제거율, 역삼투압(RO)과의 시너지 통합을 통한 염수 처리에서 높은 물 회수율, 재생 가능한 물과의 높은 호환성과 같은 상당한 이점을 입증했습니다. 에너지원6,7,8,9,10,11. 일반적인 직접 접촉 막 증류(DCMD) 공정에서는 뜨거운 식염수(공급물)와 차가운 정제수(투과물)가 소수성 막의 반대편으로 흐르면서 물을 구동하는 막간 온도 구배(ΔT)를 설정합니다. - 증기로의 전이(그림 1a). 증기 수송을 위한 매체이자 직접적인 액체 투과에 대한 장벽 역할을 하는 소수성 막은 증기가 공급 측에서 투과 측으로 전달되어 담수로 응축되는 것을 효과적으로 허용하는 동시에 액체 물과 염 이온을 거부합니다.

a 고유의 ​​온도 및 농도 분극 효과로 인해 C-PVDF 멤브레인을 사용하는 열 비효율 및 멤브레인 습윤 문제가 있는 기존 MD 공정. MD 공정은 다공성 소수성 멤브레인의 반대편에 뜨거운 해수(노란색)와 차가운 담수(파란색) 흐름을 포함하며, 이는 멤브레인 간 온도 구배 ΔT에 의해 설정된 증기 투과를 허용하는 동시에 액체 물과 염 이온을 거부합니다. 파란색 선은 연속적인 물에서 증기로의 전환으로 인한 급수 측의 고유한 열 손실로 인해 ΔT가 점진적으로 감소하는 온도 양극화를 나타냅니다. 노란색 음영은 초기 공급 온도(노란색)와 비교하여 공급/막 인터페이스 근처의 온도 감소를 나타냅니다. 회색 선은 계면에 가까운 염 농도가 점진적으로 증가하면서 농도 분극을 나타내며, 이는 습윤 전이로 인한 막 오염 및 스케일링 경향을 강화합니다. b PM-PVDF 멤브레인에 의해 부여된 국부적인 표면 자체 발열 및 초소수성 의존성 멤브레인 안정성을 갖춘 최적화된 PMD 공정. PM-PVDF 멤브레인은 고분자 나노구체를 포함하는 초소수성 계층적 MXene 층에 의한 광열 효과와 비습윤 성능을 통해 향상된 ΔT를 가능하게 합니다. 일반적인 빨간색 음영은 광열 효과를 통한 국부적인 표면 가열로 인해 초기 공급 온도(노란색)와 비교하여 공급/막 인터페이스 근처의 온도 증가를 나타냅니다. c 친수성에서 초소수성으로의 광열 변환 및 습윤성 변환을 달성하는 MXene 엔지니어링. 왼쪽: MXene 나노시트의 TEM 이미지와 삽입 이미지는 MXene의 도식적 플라즈몬 효과 강화 광열 변환을 보여줍니다. 오른쪽: 강력한 발수성을 갖춘 초기 상태와 가공 후의 접촉각.