相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2014年10月3日提交的美國臨時專利申請62/059,322號的優(yōu)先權(quán)。上述申請的全部內(nèi)容通過援引納入本文。

背景技術(shù)：

蒸餾流體的現(xiàn)有方法有很多限制，包括熱效率低、需要加熱全部流體、以及過度溫度極化(在膜蒸餾的情況下)。因此，存在對于更有效蒸餾流體的方法和系統(tǒng)的需要。

發(fā)明概述

在一些實施方式中，本發(fā)明涉及蒸餾流體的方法。在一些實施方式中，所述方法包括將流體曝露于多孔膜的步驟。在一些實施方式中，多孔膜包括能夠產(chǎn)生熱的表面。在一些實施方式中，在表面產(chǎn)生的熱通過將流體轉(zhuǎn)化為蒸氣使得流體的蒸餾擴展，所述蒸氣流過多孔膜并凝結(jié)為蒸餾液。在一些實施方式中，本發(fā)明的蒸餾方法還包括收集蒸餾液的步驟。

在一些實施方式中，所述流體包括、但不限于：水、醇、有機溶劑、揮發(fā)性溶劑、水-醇混合物、以及它們的組合。在一些實施方式中，所述蒸餾通過膜蒸餾法進行。在一些實施方式中，所述蒸餾導致流體脫鹽和/或凈化。

在一些實施方式中，所述多孔膜包括、但不限于：聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、纖維素、和它們的組合。在一些實施方式中，所述多孔膜包括直徑約0.2μm-約5.0μm的孔徑。

在一些實施方式中，能夠產(chǎn)生熱的表面包括多孔膜的整個外表面。在一些實施方式中，所述表面的溫度在蒸餾期間保持恒定。

在一些實施方式中，當曝露于光源時，所述表面能夠產(chǎn)生熱。在一些實施方式中，能夠產(chǎn)生熱的表面與在該表面產(chǎn)生熱的光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，所述光-熱組合物通過將來自光源的光能轉(zhuǎn)化為熱能而在表面產(chǎn)生熱。

在一些實施方式中，光-熱組合物包括但不限于：貴金屬、半導體材料、介電材料、基于碳的材料(例如炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、還原的氧化石墨烯)、復合材料、納米復合材料、納米顆粒(例如sio2/au納米殼)、親水性材料、聚合物、纖維、網(wǎng)格材料(meshes)、纖維網(wǎng)格材料、水凝膠、水凝膠網(wǎng)格材料、納米材料、以及它們的組合。

在一些實施方式中，光-熱組合物組合物包含納米顆粒。在一些實施方式中，所述納米顆粒包括但不限于：貴金屬納米顆粒、金屬氧化物納米顆粒、半導體納米顆粒、金納米顆粒、納米棒、納米殼、sio2/au納米殼、炭黑納米顆粒、石墨烯納米顆粒、氧化石墨烯納米顆粒、還原的氧化石墨烯納米顆粒、以及它們的組合。

在一些實施方式中，光-熱組合物僅與多孔膜的表面結(jié)合。在一些實施方式中，光-熱組合物與多孔膜的表面直接結(jié)合。在一些實施方式中，光-熱組合物包埋于涂敷在多孔膜的表面上的聚合物層中。在一些實施方式中，光-熱組合物涂敷在聚合物層(例如，聚合物網(wǎng)格材料)上，所述聚合物層在多孔膜的表面上。

在一些實施方式中，所述表面通過共價鍵、非共價鍵、物理吸附、氫鍵、范德華相互作用、倫敦力、偶極-偶極相互作用、及它們的組合中的至少一種與光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，所述光-熱組合物與表面交聯(lián)。在一些實施方式中，所述表面用所述光-熱組合物涂敷。在一些實施方式中，所述光-熱組合物在涂層內(nèi)交聯(lián)。

在一些實施方式中，本發(fā)明的方法還包括將多孔膜表面曝露于光源的步驟。在一些實施方式中，光源促進表面產(chǎn)生熱。在一些實施方式中，光源包括日光。

在一些實施方式中，本發(fā)明的方法在沒有加熱整體流體(bulkfluid)的情況下(例如，在沒有加熱全部流體或、普遍加熱的情況下)進行。在一些實施方式中，本發(fā)明的方法通過僅加熱多孔膜表面附近的流體進行。在一些實施方式中，本發(fā)明的方法在不使用電能的情況下進行。

在一些實施方式中，本發(fā)明涉及用于蒸餾流體的系統(tǒng)。在一些實施方式中，本發(fā)明的系統(tǒng)包括本發(fā)明的多孔膜。本發(fā)明的其它實施方式涉及制造本發(fā)明多孔膜的方法。

附圖說明

圖1顯示使用膜蒸餾對流體進行蒸餾的方法(圖1a)和系統(tǒng)(圖1b)。

圖2顯示膜蒸餾(md)中溫度曲線和熱通量。圖2a顯示現(xiàn)有md技術(shù)中的溫度極化。圖2b顯示用逆向溫度極化(reversetemperaturepolarization)的光-熱組合物進行涂敷的多孔膜。

圖3顯示光-熱組合物接合到基礎(chǔ)膜表面的物理和化學方法的例子，包括：sio2/au納米顆粒(圖3a)、未改性炭黑納米顆粒(cnnp)(圖3b)、官能化cbnp(圖3c)、以及交聯(lián)的氧化石墨烯(go)(圖3d)。圖6中顯示的靜電紡絲方案可以用于將光-熱組合物施加到基礎(chǔ)膜表面。

圖4顯示直接接觸式膜蒸餾(md)的實驗設(shè)置的圖。

圖5顯示各種聚偏二氟乙烯(pvdf)膜的滲透質(zhì)量隨時間的變化，所述膜包括：納米材料(nm)涂敷的pvdf膜(圖5a)，具有未改性尼龍網(wǎng)格材料和nm涂敷網(wǎng)格材料的pvdf膜(圖5b)、以及具有靜電紡絲涂敷(聚甲基丙烯酸甲酯)pmma/cbnp聚合物層的基礎(chǔ)pvdf膜(圖5c)。

圖6顯示用于將光-熱組合物靜電紡絲到多孔膜上以形成光-熱納米復合纖維網(wǎng)格材料的裝置說明。

圖7顯示了表面的掃描電子顯微鏡(sem)圖(圖7a)、以及靜電紡絲mma-cbnp纖維網(wǎng)格材料(m-espc)的橫截面的電子顯微鏡(sem)圖(圖7b)。還顯示了具有cbnp靜電紡絲聚(乙烯醇)(pva)水凝膠纖維(hm-espc)表面的sem圖像(圖7c)。

圖8顯示關(guān)于各種纖維直徑的數(shù)據(jù)。圖8a顯示m-espc纖維直徑的柱狀圖。圖8b顯示具有不同cbnp濃度的各種hm-espc的纖維直徑的圖表。

圖9顯示不同膜樣品的液體穿透壓力(lep)。誤差線是壓力表精度的最大可能誤差(2.5psi)。

圖10顯示不同膜樣品的滲透通量測定。測定在用光輻射和不用光輻射的情況下進行顯示。

圖11顯示表示hm-espc涂敷厚度隨靜電紡絲時間增加的數(shù)據(jù)。

圖12顯示涉及用親水靜電紡絲纖維改性的膜上去離子水接觸角測定的數(shù)據(jù)。圖12a顯示用疏水pvdf、疏水pmma纖維的靜電紡絲墊、以及用cbnp改性的pvdf膜。圖12b顯示用具有不同靜電紡絲時間(5分鐘～2小時)的親水pva纖維改性pvdf膜。具有藍色斜條紋標記的柱包含2％cbnp。

發(fā)明詳述

應(yīng)理解，前面的概況描述和下列詳細描述都只是說明性和示例性的，并不構(gòu)成對要求保護的主題的限制。在本申請中，除非另有具體說明，否則單數(shù)形式的使用包括復數(shù)形式，詞語“一個”或“一種”表示“至少一個/一種”，“或”字的使用表示“和/或”。此外，所用的術(shù)語“包括”以及其它形式，如“包含”和“含有”不是限制性的。同時，除非另外具體說明，術(shù)語如“元件”或“組分”同時包括包含一個單元的元件或組分或者包括超過一個單元的元件或組分。

本文所用章節(jié)標題用于組織目的，而不應(yīng)理解為限制所述主題。本申請引用的包括但不限于專利，專利申請，文章，書籍和條約在內(nèi)的所有文件或文件的部分，在此通過引用全文納入本文以用于任何目的。當一篇或多篇所納入的文獻及類似材料對術(shù)語的定義與本申請對該術(shù)語的定義相抵觸時，以本申請為準。

凈化流體在每天的生活中發(fā)揮重要作用。例如，沒有其它資源如水那樣是生命普遍需要的。此外，凈化水的安全和適用性是與全球健康、能源生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展密不可分的巨大挑戰(zhàn)。

然而，由于人口增長、頑固且有害的污染物導致水污染增加、以及預示許多地區(qū)水荒加劇的氣候變化，獲得清潔水是一個快速增長的挑戰(zhàn)。同樣，存在技術(shù)革新的需求，以采用非常規(guī)水源并滿足快速增長的對于負擔得起的水的需求。

從鹽水(例如，海水和含鹽地下水)、或受污染的水源提取水在滿足世界現(xiàn)在和未來水需求上具有巨大潛力。例如，通過蒸餾或反滲透的脫鹽和水凈化變成世界許多地方的重要水資源。2004年，全世界以3.24×10⁷m³/天的量通過脫鹽工廠生產(chǎn)淡水。

然而，脫鹽是高能源密集型工藝。被認為最節(jié)能的脫鹽技術(shù)，反滲透(ro)淡化海水仍然會消耗1.5～2.5kwh/m³的能量。此外，為了控制膜污染，復雜、高壓系統(tǒng)需要巨大的資金投入和大量的預處理。

例如，在缺乏充分且安全的水供應(yīng)的發(fā)展中國家的許多地方，不能用上電能。此外，可用于購買設(shè)備的資金有限。此外，不能獲得經(jīng)培訓的操作人員以運行復雜的水凈化系統(tǒng)。

因此，非常需要脫離電網(wǎng)、簡單、低成本且高效率的水脫鹽和凈化系統(tǒng)。太陽能膜蒸餾是可能滿足這一需求的技術(shù)。

膜蒸餾(md)采用穿過分開熱原料流和冷滲透流的疏水多孔膜，以驅(qū)動來自原料流的水蒸氣流出到滲透流，并由凝結(jié)產(chǎn)生凈化水(圖2a)。通過多孔膜j的水蒸氣通量可以通過方程1表示：

j＝km[p(t1)-p(t2)](1)

此處，k^m是膜的水蒸氣滲透性(m/s-mmhg)；t1和t2(℃)分別是在進料側(cè)和滲透側(cè)膜表面的溫度；并且p(mmhg)是水的蒸氣壓，其可以使用安托尼方程(方程2)估算：

md與其它脫鹽技術(shù)相比具有數(shù)個獨特優(yōu)點。例如，因為md在低于水沸點的溫度下進行，其熱能消耗顯著低于其它基于蒸發(fā)的脫鹽技術(shù)的熱能消耗。此外，水蒸氣通過膜的流動通過由于溫度梯度而不是跨膜壓力(trans-membranepressure)的局部壓差進行驅(qū)動。因此，電能消耗和對于膜機械強度的需求較低。另外，由于水蒸氣的局部壓力不會受到鹽度的顯著影響，md可以用于具有非常高鹽度的水，同時不會顯著影響能耗。

此外，因為不存在水流過膜，所以在md中的膜污染比在ro系統(tǒng)中低很多。另外，與ro不同，md可以在不損壞膜的情況下間歇操作。最后，低操作溫度和操作周期的靈活性使得md是太陽能脫鹽的最佳備選。因此，收獲太陽能以同時加熱進水并產(chǎn)生用于泵送的電。

太陽能md系統(tǒng)使用太陽能集熱器，以加熱進水，或者直接產(chǎn)生泵送所需的電、或通過與工作流體和光伏器件進行熱交換產(chǎn)生泵送所需的電。因為在md中使用的大部分能量是熱能，太陽能集熱器的效率和md單元的熱效率確定了太陽能md系統(tǒng)的總體能效。雖然各種太陽能集熱器的光效率(定義為所吸收太陽輻射的分數(shù))可能高達80％，但是取決于集熱器的類型和操作溫度，太陽能集熱器的熱損失將總效率降低至20～70％。

在md單元中，存在兩個主要的能量損失起因。第一起因是溫度極化。由于熱傳導和潛熱傳遞，在進料側(cè)膜表面的溫度t1可能顯著低于批量進料溶液(bulkfeedsolution)的溫度tf(圖2a)。類似的，在滲透側(cè)膜表面的溫度t2高于批量滲透水的溫度tp。溫度極化可使得跨膜溫度梯度最多降低70％，這顯著降低對于蒸氣運輸?shù)尿?qū)動力。溫度極化系數(shù)αtp根據(jù)方程3測定：

此外，穿過膜的熱傳遞引起沿著膜長度在進料和滲透之間的溫度差降低，這限制了md單元的生產(chǎn)率，并且是擴大生產(chǎn)的主要難題。

能量損失的另一重要起因是鹽水。通過鹽水釋放的熱損失隨水回收的減少而增加。在太陽能md中的單程水回收(singlepasswaterrecovery)通常低于5％(即，95％的進水中的熱損失了)。對于鹽水循環(huán)，對于md的產(chǎn)品水回收可以達到65％～95，但這增加了系統(tǒng)復雜性和泵送成本。

此外，高水回收導致水垢生成。熱交換器可以用于從滲透物和鹽水回收熱，但是也顯著增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。

總之，現(xiàn)有的md工藝具有許多限制。例如，現(xiàn)有的md工藝需要高熱能消耗。電用于將進水加熱到較高的溫度以推動md工藝。因此，電能消耗非常高。此外，溫度極化(即，在進料側(cè)膜表面的溫度低于批量進料水，并且在滲透側(cè)膜表面的溫度高于批量滲透水)導致驅(qū)動力降低，并因此降低水蒸氣通量。另外，驅(qū)動力隨流通道長度降低，由此限制膜組件的有效尺寸。此外，現(xiàn)有md工藝顯示出在鹽水排放中的余熱損失。

此外，現(xiàn)有太陽能膜蒸餾系統(tǒng)使用常規(guī)太陽能集熱器，以直接加熱進水或通過熱交換器加熱進水。然而，因為水是較差的吸光劑，通過陽光直接加熱進水是非常低效的。另外，安裝太陽能集熱器和熱交換器增加太陽能系統(tǒng)的復雜性和成本。此外，因為現(xiàn)有太陽能md系統(tǒng)加熱大量進水，通過穿過膜的傳導和熱鹽水排放損失大量熱能。

因此，存在對于具有高熱效率的改進的md系統(tǒng)的需要。還存在對于改進的md系統(tǒng)的需要，所述改進的md系統(tǒng)僅加熱作為滲透物回收的部分流體。另外，存在對于具有極小溫度極化的改進的md系統(tǒng)的需要。本發(fā)明解決了這些需要。

在一些實施方式中，本發(fā)明涉及蒸餾流體的方法。在圖1a說明的一些實施方式中，這些方法包括以下步驟中的一個或多個：將流體曝露于具有能夠產(chǎn)生熱的表面的多孔膜(步驟10)；在多孔膜表面產(chǎn)生熱(步驟12)；將流體轉(zhuǎn)化為蒸氣(步驟14)；使蒸氣流動穿過多孔膜(步驟16)；將流體凝結(jié)為蒸餾液(步驟18)；以及收集蒸餾液(步驟20)。

在一些實施方式中，本發(fā)明涉及用于蒸餾流體的系統(tǒng)。在圖1b說明的一些實施方式中，系統(tǒng)10可用于蒸餾流體。系統(tǒng)10包括多孔膜16，所述多孔膜16具有能夠產(chǎn)生熱的表面18。在一些實施方式中，系統(tǒng)10還可以包括通道14，該通道用于將流體12曝露于多孔膜16的表面18。在一些實施方式中，系統(tǒng)10還可以包括用于蒸餾液24流動的通道26、以及用于收集蒸餾液24的容器30。系統(tǒng)10還可以包括用于滲透流體22流過系統(tǒng)10的通道28。另外，系統(tǒng)10可以與光源20結(jié)合。

在操作中，流體12可以流過通道14以曝露于多孔膜16的表面18。光源20可以用于促進表面18的加熱。隨后，在多孔膜16表面18產(chǎn)生的熱通過將流體12轉(zhuǎn)化為蒸氣使得蒸餾擴展，所述蒸氣流過多孔膜16并凝結(jié)為蒸餾液24，所述蒸餾液24流過通道26并流入容器30。滲透流體22還可以通過促進凝結(jié)使得蒸餾擴展。

本發(fā)明的其它實施方式涉及制造用于流體蒸餾的膜的方法。如本文詳細所述，可以采用各種方法和系統(tǒng)蒸餾各種類型的流體。另外，在本發(fā)明系統(tǒng)和方法中可以采用各種多孔膜。而且，各種方法可用于制造本發(fā)明的多孔膜。

多孔膜

本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可采用各種類型的多孔膜。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括具有以下特征的多孔膜：所述多孔膜在使得蒸氣通過的同時還用作流體進料和滲透物之間的屏障。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜是非潤濕性膜。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜是疏水的。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜具有高疏水性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

本發(fā)明的多孔膜可具有各種不同成分。例如，在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜可包括、但不限于：聚丙烯(pp)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚乙烯、聚碳酸酯、纖維素、和它們的組合。

本發(fā)明的多孔膜可以具有各種多孔性。例如，在一些實施方式中，多孔膜中的孔的直徑為約1nm至約5μm。在一些實施方式中，所述孔包括直徑至少為約50nm的大孔。在一些實施方式中，所述孔包括直徑為約50nm至約3μm的大孔。在一些實施方式中，所述孔包括直徑為約500nm至約2μm的大孔。在一些實施方式中，所述孔包括直徑小于約50nm的中孔。在一些實施方式中，所述孔包括直徑小于約2nm的微孔。

在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括微孔膜。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括直徑約0.2μm-約5.0μm的孔徑。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括直徑約0.2μm-約1μm的孔徑。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括直徑約1μm-約5μm的孔徑。

本發(fā)明的多孔膜還可以具有各種形狀。例如，在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜是平板形式的。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜具有矩形形狀。也可以預期使用其它多孔膜形狀。

在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括孔徑約0.2μm-約1.0μm的ptfe、pvdf和pp平板。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括孔徑較大的親水膜和疏水膜(例如孔徑約1μm-約5μm的pvdf、聚碳酸酯、混合纖維素酯多孔膜)。

多孔膜表面

本發(fā)明的多孔膜表面具有各種特性。例如，在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜包括能夠產(chǎn)生熱的表面。在一些實施方式中，表面是疏水的。在一些實施方式中，熱僅在多孔膜表面產(chǎn)生。在一些實施方式中，在多孔膜表面產(chǎn)生的熱使得流體的蒸餾擴展。在一些實施方式中，能夠產(chǎn)生熱的表面包括多孔膜的整個外表面(例如在圖1b中多孔膜16的表面18)。在一些實施方式中，所述表面的溫度在蒸餾期間保持恒定。在一些實施方式中，當曝露于光源時，所述表面能夠產(chǎn)生熱。

光-熱組合物

在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜還可以與光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，光-熱組合物能夠產(chǎn)生熱。例如，在一些實施方式中，能夠產(chǎn)生熱的多孔膜表面與光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，所述光-熱組合物在表面產(chǎn)生熱。在一些實施方式中，所述光-熱組合物通過將來自光源的光能轉(zhuǎn)化為熱能在表面產(chǎn)生熱。

本發(fā)明的多孔膜表面可以與各種不同光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，光-熱組合物組合物是親水的。在一些實施方式中，光-熱組合物包括但不限于：貴金屬、半導體材料、介電材料(例如，au納米顆粒)、基于碳的材料、復合材料、納米復合材料、納米顆粒(例如，sio2/au納米殼)、親水性材料、聚合物、纖維、網(wǎng)格材料(meshes)、纖維網(wǎng)格材料、水凝膠、水凝膠網(wǎng)格材料、納米材料、以及它們的組合。

在一些實施方式中，本發(fā)明的光-熱組合物包含基于碳的材料。在一些實施方式中，基于碳的材料包括但不限于：炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、還原的氧化石墨烯、以及它們的組合。

在一些實施方式中，光-熱組合物組合物包含聚合物。在一些實施方式中，所述聚合物包括但不限于：親水性聚合物、聚合物纖維、靜電紡絲聚合物、官能化聚合物、以及它們的組合。在一些實施方式中，所述光-熱組合物包含親水性聚合物，例如聚(乙烯醇)(pva)。在一些實施方式中，所述聚合物包括但不限于：親水性pva纖維、靜電紡絲pva水凝膠纖維、水凝膠網(wǎng)格材料、水凝膠纖維、以及它們的組合。

在一些實施方式中，光-熱組合物組合物包含納米顆粒。在一些實施方式中，所述納米顆粒包括但不限于：貴金屬納米顆粒、金屬氧化物納米顆粒、半導體納米顆粒、金納米顆粒、納米殼、sio2/au納米殼、納米棒、炭黑(cb)納米顆粒、石墨烯納米顆粒、氧化石墨烯(go)納米顆粒、還原的氧化石墨烯納米顆粒、以及它們的組合。

在一些實施方式中，所述納米顆粒包括一種或多種貴金屬。在一些實施方式中，高納米顆粒濃度可通過鄰近的納米顆粒導致多次散射，增加吸光率。在一些實施方式中，納米顆?？梢允潜砻娴入x子共振的貴金屬形式。

本發(fā)明的多孔膜表面可以以各種方式與光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，能夠產(chǎn)生熱的表面通過共價鍵、非共價鍵、物理吸附、氫鍵、范德華相互作用、倫敦力、偶極-偶極相互作用、及它們的組合中的至少一種與光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，所述光-熱組合物與表面交聯(lián)。

在一些實施方式中，能夠產(chǎn)生熱的表面用所述光-熱組合物涂敷。在一些實施方式中，所述光-熱組合物在涂層內(nèi)交聯(lián)。

在一些實施方式中，光-熱組合物包埋于涂敷在多孔膜表面上的聚合物層中。在一些實施方式中，光-熱組合物涂敷在聚合物層(例如，聚合物網(wǎng)格材料)上，所述聚合物層在多孔膜的表面上。在一些實施方式中，所述聚合物層由透明材料制成。在一些實施方式中，聚合物層包括但不限于：聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚多巴胺、以及它們的組合。

在一些實施方式中，本發(fā)明的光-熱組合物僅與多孔膜中能夠產(chǎn)生熱的表面結(jié)合。在一些實施方式中，光-熱組合物與多孔膜中能夠產(chǎn)生熱的表面直接結(jié)合。在一些實施方式中，多孔膜的剩余部分沒有光-熱組合物。在一些實施方式中，光-熱組合物并不滲透多孔膜的孔。

在一些實施方式中，在光-熱組合物包括納米顆粒的情況下，納米顆?？梢栽诙嗫啄さ谋砻嫘纬申嚵?。在一些實施方式中，納米顆粒彼此相鄰。在一些實施方式中，所述納米顆粒包埋于涂敷在表面上的親水性材料中。在一些實施方式中，親水性材料包括但不限于：聚合物、網(wǎng)格材料、纖維、墊、水凝膠、和它們的組合。在一些實施方式中，本發(fā)明的光-熱組合物是共價結(jié)合到多孔膜表面的納米顆粒形式。

光源

在一些實施方式中，本發(fā)明的方法還包括將能夠產(chǎn)生熱的多孔膜表面曝露于光源的步驟。在某個實施方式中，光源促進通過表面產(chǎn)生熱。

各種光源可用于在表面產(chǎn)生熱。例如，在一些實施方式中，所述光源包括但不限于：自然光(即，日光)、入射光、可見光、紫外光、近紅外光、激光、連續(xù)波激光器、白熾光、熒光、led光、源自太陽輻射的光(例如，源自太陽能板(solarpanel)的光)、設(shè)計光源(engineeredlightsource)、以及它們的組合。在一些實施方式中，光源包括日光。

在一些實施方式中，所述來自光源的光強度通過光放大器放大。在一些實施方式中，光放大器包括光學透鏡。

在一些實施方式中，光源曝露于包括光-熱組合物的多孔膜表面。在一些實施方式中，曝露于光源的光-熱組合物包含納米顆粒(如前所述)。

在一些實施方式中，納米顆粒是表面等離子共振的貴金屬形式。在一些實施方式中，納米顆粒具有半導體性質(zhì)。不受理論限制，設(shè)想貴金屬np具有豐富的可移動電子，并且因此具有出色的光-熱效率，當入射光波長接近它們的表面等離子共振時，其進一步提高。此外，預期在該貴金屬np中，自由電子強烈吸收uv到近紅外(nir)波長的光。這些高能電子進行電子-電子散射，并且如方程4所說明地，通過電子-聲子相互作用，迅速(在幾皮秒的時間內(nèi))將動能輸送到np晶格：

當輻照脈沖比具有半徑rp和熱擴散率αp的貴金屬np的弛豫時間τr(方程4)短時，加熱在時間尺度＜τr時限制在貴金屬np內(nèi)且具有微小熱損失，這導致np溫度的快速上升。在較慢的輻射率的情況下，熱能隨后通過聲子-聲子耦合傳送到周圍流體。

當貴金屬np浸沒在水中，在納米顆粒-水界面出現(xiàn)高達其亞穩(wěn)態(tài)分解溫度的水過熱。在多個np的情況下，不僅由于累積效應(yīng)(多個熱源)，而且由于在相鄰等離子體np的等離子增強電場之間的相互作用(coulomb相互作用)，加熱效果劇烈提高。

在一些實施方式中，本發(fā)明的納米顆粒還可以包括sio2/au納米殼、炭黑(cp)np、氧化石墨烯(go)np、以及它們的組合。在一些實施方式中，該np優(yōu)選用作光-熱組合物，因為它們在整個太陽能光譜上強烈吸收。

例如，芯-殼結(jié)構(gòu)例如在sio2/au納米殼中的芯-殼結(jié)構(gòu)使得等離子共振調(diào)整為更好地與入射光譜相匹配。同樣，cbnp是低成本導熱材料，并且已經(jīng)在太陽能集熱器中作為用于提高生熱的納米流體使用。類似地，go在uv到近紅外(nir)范圍的寬光譜上強烈吸收，并且在使用nir激光的癌細胞光-熱處理中使用。更重要的是，水蒸氣通過堆疊的go片呈現(xiàn)出獨特的傳輸行為。

多孔膜曝露于流體

還可以使用各種方法，將本發(fā)明的多孔膜暴露于流體。例如，在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜通過流體流動穿過包括多孔膜的通道(例如圖1b中的通道14)曝露于流體。在一些實施方式中，流體通過與表面直接接觸，與多孔膜表面結(jié)合在一起。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜通過用多孔膜溫育流體而曝露于流體。也可以設(shè)想其它的曝露方法。

流體

可以使用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)以蒸餾各種類型的流體。例如，在一些實施方式中，所述流體包括、但不限于：水、醇、有機溶劑、揮發(fā)性溶劑、水-醇混合物、以及它們的組合。在一些實施方式中，所述流體包括乙醇-水混合物。在一些實施方式中，所述流體包括水。

蒸餾的擴展

可以使用各種方法以通過多孔膜使得流體的蒸餾擴展。例如，在一些實施方式中，在多孔膜表面產(chǎn)生的熱通過將流體轉(zhuǎn)化為蒸氣使得流體的蒸餾擴展，所述蒸氣流過多孔膜并凝結(jié)為蒸餾液。在一些實施方式中，在表面產(chǎn)生的熱通過產(chǎn)生穿過多孔膜的溫度梯度使得蒸餾擴展。隨后，溫度梯度導致了驅(qū)動所形成的蒸氣通過多孔膜的蒸氣壓梯度形成。

收集

在一些實施方式中，本發(fā)明的蒸餾方法還可以包括收集蒸餾液的步驟。可使用各種方法收集蒸餾液。例如，在一些實施方式中，可以通過流過通道(例如圖1b中的通道26)并流入容器(例如圖1b中的容器)收集蒸餾液。在一些實施方式中，蒸餾液可以通過液體流動、空氣流動、或真空進行收集。在蒸餾液通過空氣流動或真空進行收集的實施方式中，在氣相中的蒸氣使用熱交換器凝結(jié)。

蒸餾方法

本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以適用于各種蒸餾方法。例如，在一些實施方式中，所述蒸餾通過膜蒸餾法進行。在一些實施方式中，所述膜蒸餾法包括但不限于：直接接觸式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾、真空式膜蒸餾、以及它們的組合。

在一些實施方式中，所述蒸餾導致流體脫鹽。在一些實施方式中，所述蒸餾導致流體凈化。在一些實施方式中，所述蒸餾導致溶劑分離。在一些實施方式中，在沒有加熱整體流體(bulkfluid)的情況下進行蒸餾。在一些實施方式中，蒸餾通過僅加熱多孔膜表面附近的流體進行。在一些實施方式中，蒸餾在不使用電能的情況下進行。

制備膜的方法

在一些實施方式中，本發(fā)明涉及制造本發(fā)明多孔膜的方法。在一些實施方式中，本發(fā)明的方法包括將多孔膜表面與光-熱組合物結(jié)合的步驟。

合適的多孔膜如前所述。在一些實施方式中，所述多孔膜包括、但不限于：聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、纖維素、和它們的組合。

合適的光-熱組合物如前所述。在一些實施方式中，本發(fā)明的光-熱組合物包括但不限于：貴金屬、半導體材料、介電材料、基于碳的材料、復合材料、納米復合材料、納米顆粒、親水性材料、聚合物、纖維、網(wǎng)格材料、纖維網(wǎng)格材料、水凝膠、水凝膠網(wǎng)格材料、納米材料、以及它們的組合。

可以使用各種方法將多孔膜表面與光-熱組合物結(jié)合。例如，在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜表面可以通過固定化方法(immobilizationmethod)與光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，結(jié)合方法包括但不限于：涂敷、噴霧、滴涂、浸漬涂敷、共價結(jié)合(例如，濕化學)、聚合物共混涂敷、共價交聯(lián)、紡絲、靜電紡絲、及它們的組合。在一些實施方式中，本發(fā)明的多孔膜表面通過將光-熱組合物靜電紡絲在多孔膜表面上與光-熱組合物結(jié)合。在一些實施方式中，光-熱組合物是靜電紡絲纖維網(wǎng)格材料形式。

如前所述，多孔膜可以以各種方式與光-熱組合物結(jié)合。例如，在一些實施方式中，所述表面通過共價鍵、非共價鍵、物理吸附、氫鍵、范德華相互作用、倫敦力、偶極-偶極相互作用、及它們的組合中的至少一種與光-熱組合物結(jié)合。

在一些實施方式中，所述光-熱組合物與多孔膜的表面直接結(jié)合。在一些實施方式中，所述光-熱組合物包埋于涂敷在表面上的聚合物層(例如，聚合物層示例為聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚多巴胺、以及它們的組合)中。在一些實施方式中，所述納米顆粒包埋于涂敷在表面上的親水材料(例如，親水材料示例為聚合物、網(wǎng)格材料、纖維、墊、水凝膠、以及它們的組合)中。在一些實施方式中，所述光-熱組合物與所述表面交聯(lián)。在一些實施方式中，所述表面用所述光-熱組合物涂敷。在一些實施方式中，所述光-熱組合物在涂層內(nèi)交聯(lián)。

應(yīng)用和優(yōu)勢

本發(fā)明的方法和系統(tǒng)提供了多個優(yōu)點。例如，在一些實施方式中，本發(fā)明的光-熱組合物可以由光源例如日光產(chǎn)生熱，由此在膜表面產(chǎn)生高溫，以在不使用電或特殊設(shè)備(例如，熱交換器、太陽能集熱器等)的情況下驅(qū)動蒸餾工藝。另外，可以逆轉(zhuǎn)溫度極化。此外，在多孔膜表面的溫度可以通過流通道保持相對恒定。因此，對于更高的流體蒸餾速率，本發(fā)明的蒸餾系統(tǒng)可以造得更大。此外，由于進料可以僅在膜表面進行加熱，在鹽水中的余熱最少。

因此，在一些實施方式中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法通過使用日光作為能源、并最大化日吸光率和光-熱轉(zhuǎn)化、以及降低鹽水排放的余熱損失，大幅改進了現(xiàn)有膜蒸餾工藝的能效。此外，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以通過較長的進料通道、以及因此帶來的較大的膜尺寸，增加單程(singlepass)膜蒸餾單元的流體回收。

上述改進克服了現(xiàn)有膜蒸餾技術(shù)的數(shù)個障礙。例如，能夠加熱流體(例如，進水)的本發(fā)明的光-熱組合物使得能夠在無需太陽能集熱器或任何熱交換器的情況下操作太陽能膜蒸餾。這預期將大幅降低本發(fā)明系統(tǒng)和方法的整體復雜性和基建成本，由此使得它們成為在不能獲得電和安全水供應(yīng)的邊遠地區(qū)提供凈化水的優(yōu)良備選。

其它實施方式

現(xiàn)將參考本發(fā)明更具體的實施方式，和為這些實施方式提供支持的實驗結(jié)果。但是，申請人指出下述公開僅是說明目的，無意于以任何方式限制要求保護的主題范圍。

實施例1.直接太陽能mp工藝的能效的提高

在該實施例中，申請人采用高光-熱效率以及所選納米材料(nm)的局部加熱以提高直接太陽能膜蒸餾(md)工藝(即，沒有太陽能集熱器或熱交換器)的能量效率。在高納米顆粒(np)濃度的情況下，通過鄰近納米顆粒的多次散射聚集光子，并增加吸光率(圖2b)。

當通過日光輻照時，固定在膜表面(進料側(cè))上的高濃度光-熱np能夠用于有效局部熱源。局部加熱在膜表面上產(chǎn)生的溫度(t1)比進水溫度(tf)高，并因此在沒有顯著加熱批量進料水的情況下增加了水蒸氣通量。雖然僅部分轉(zhuǎn)化為干凈的滲透水，但預期該工藝具有比現(xiàn)有的太陽能熱md工藝更高的能效，所述現(xiàn)有的太陽能熱md工藝通過加熱全部的進水獲得所需溫度差。在膜表面的較高的局部溫度逆轉(zhuǎn)了溫度極化(圖2b)。因此，不再需要為了溫度極化最小化而提高進入通道中熱傳遞所需的高流速。此外，對于改性膜，在整個膜表面產(chǎn)生熱，這有效降低沿著膜長度的溫度差降低，由此可以用于更大規(guī)模的md組件。

實施例2.具有光-熱組合物的md膜的制造和表征

光-熱納米復合膜可以通過如下制造：1)直接在md膜表面上涂敷光-熱nm、或者2)將nm混入位于md膜頂部的聚合物層中。使用額外聚合物層的優(yōu)點是獲得更高的光-熱nm涂層密度。取決于所使用的nm類型，需要不同的涂敷/混入方法以使得在保持膜的其它重要性能(高表面疏水性、低導熱率、和高孔隙度)的同時，確保nm的合適附著和濃度。因為sio2/au納米殼和炭黑(cp)np比膜孔徑小、并且因為sio2/au納米殼和氧化cbnp是非常親水的，選擇涂敷方法時考慮防止nm滲透到膜的孔中。nm滲透到膜的孔中不僅可能導致孔隙度和孔的疏水性降低，而且可能導致整個膜基質(zhì)的加熱，這進一步可能引起跨膜溫度差的降低。

實施例2.1.光-熱納米材料涂敷在聚多巴胺改性md膜上

聚多巴胺涂層可以用于促進某些光-熱nm粘附在膜表面(圖3)。聚多巴胺可以有效涂敷基材表面的廣大范圍，并且聚多巴胺中的兒茶酚基團具有較高的金屬結(jié)合親和力。這使得在不需要官能化基礎(chǔ)膜的情況下，具有金屬表面的光-熱nm接合在各種基礎(chǔ)膜表面上。對于表面高度化學惰性的ptfe或pvdf膜，該特征特別有吸引力。對于該涂敷方法的備選nm可包括但不限于：貴金屬np、例如金np；以及芯-殼結(jié)構(gòu)nm，例如sio2/au納米殼、sio2/au納米棒等。

基礎(chǔ)膜樣品可以活性層朝上的狀態(tài)安裝在載玻片上，以保護膜的背面以免該背面接觸涂敷溶液。涂層可以通過簡單浸泡法或浸漬涂敷法獲得。干的膜樣品首先曝露于ph～8.5緩沖的聚多巴胺溶液。涂敷的聚多巴胺的膜可以進行干燥，然后曝露于光-熱金屬nm懸浮液。浸沒時間、浸漬速度、浸漬循環(huán)次數(shù)以及多巴胺和納米殼濃度進行測試并優(yōu)化，以使得在避免多巴胺滲透到孔中和納米殼沉積到孔中的同時，獲得均勻的不同納米殼表面加載的涂層。

用0.2μmpvdf膜的初步試驗顯示出在多巴胺溶液中浸泡15分鐘后膜表面疏水性顯著降低。然而，在使用復合膜制備的dcmd試驗中沒有觀察到孔溢流(poreflooding)。這表明通過限制與多巴胺的接觸時間，人們可以限制聚多巴胺涂敷在膜表面上，但是沒有限制在膜的孔中。

實施例2.2.光-熱nm直接涂敷在md膜上

典型的md膜優(yōu)選是疏水性的。因此，性質(zhì)疏水的光-熱nm可通過強范德華力良好地粘附到md膜表面(圖3b)。滴涂(dropcasting)、旋涂和浸涂可用于將疏水性光-熱nm接合在膜上。備選的光-熱nm可包括但不限于cbnp或還原的go。

因為疏水性nm不能分散在水中，所以需要合適的溶劑。溶劑優(yōu)選使得nm良好分散，但是不會使得cbnp滲透到膜的孔中。還期望溶劑不會損傷膜材料。雖然pvdf和ptfe對于大多數(shù)溶劑具有高耐性，但是pp(其也用作ptfe膜的支撐層)更易受溶劑腐蝕影響。

在初步研究中，氯仿用于分散cbnp。氯仿非常好地分散了cbnp。簡單浸泡并蒸發(fā)的方案能夠在ptfe膜上提供良好的cb涂層。即使當向改性膜表面施加物理洗滌時，也沒有觀察到cbnp的明顯脫離。然而，氯仿能夠潤濕ptfe和pvdf膜，并因此使得cb滲透到膜的孔中。氯仿還可能在持續(xù)很久的接觸時間中破壞pp。因此，期望謹慎選擇溶劑和接觸時間，以避免損傷基礎(chǔ)膜的完整性。

實施例2.3.通過共價結(jié)合的光-熱nm涂層

如果有合適的官能團同時存在于膜和光-熱nm表面上，則共價結(jié)合可用于將光-熱nm束縛在多孔膜表面上。典型的md膜在表面不具有合適的官能團。然而，在pvdf、ptfe和pp膜表面上的-oh官能化通過等離子處理實現(xiàn)。通過在koh和kmno4溶液中對pvdf膜進行hf消除的濕化學氧化(wetchemicaloxidation)，然后在h2so4和nahso4溶液中對其進行親核加成，以引入-oh官能團。或者，也可以施加聚多巴胺涂層，以使得官能團引入到md膜上。光-熱nm備選材料可包括但不限于羧化的cbnp和go。cbnp的羧化可以通過在加熱條件下在硝酸或過氧化氫中氧化來實現(xiàn)。

交聯(lián)劑優(yōu)選連接光-熱nm和多孔膜表面之間的官能團?？墒褂玫慕宦?lián)劑包括但不限于：均苯三甲酰氯(trimesoylchloride，tmc)。在異鏈烷烴-g中的tmc溶液首先與官能化膜表面接觸，在該時間期間，tmc與膜上的-oh或-cooh基團反應(yīng)。然后，tmc接枝膜可浸泡在處于thf中的go懸浮液或羧化的cbnp懸浮液中，以使得在nm上的官能團和在tmc上的-c＝o之間發(fā)生反應(yīng)(圖3c)。具體地說，對于go的情況，由于其二維結(jié)構(gòu)，可以通過可選地將交聯(lián)劑和go懸浮液涂敷在膜表面上以添加附加層，來獲得多層涂層(圖3d)。涂層密度可以通過改變膜改性條件(例如，等離子處理時間)、懸浮液中cb濃度、以及與cb懸浮液的接觸時間進行變化。

實施例2.4.將光-熱組合物混入附加的多孔聚合物層中

光-熱nm能夠分散在聚合物-溶劑混合物中，然后通過一些技術(shù)例如靜電紡絲涂敷在md表面上作為另外的聚合物復合層。選擇的聚合物類型應(yīng)當具有最小的吸光率。備選聚合物包括但不限于：丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚環(huán)乙烷、聚(乙烯醇)等。然后，通過靜電紡絲將光-熱nm-聚合物-溶劑混合物施加于膜表面。光-熱nm備選材料可包括但不限于：貴金屬np、貴金屬芯-殼結(jié)構(gòu)nm、以及基于碳的nm，例如cbnp和go。

除了在聚合物纖維中用光-熱nm涂敷額外的復合層之外，光-熱nm還可以涂敷在預先合成的大孔聚合物膜(或聚合物網(wǎng)格材料)上、或包埋于其中，隨后施加到md膜表。用于網(wǎng)格材料的聚合物優(yōu)選具有最小的吸光率。可能的備選材料包括但不限于：丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚環(huán)乙烷、聚(乙烯醇)等。相似的涂敷方法，例如聚多巴胺涂敷和共價結(jié)合可用于將光-熱nm涂敷在所選的聚合物網(wǎng)格材料上。

實施例2.5.使用氧化石墨烯作為光-熱組合物

氧化石墨烯(go)納米片是非常親水的，并且良好地分散在水中。因此，其優(yōu)選通過共價鍵接合在膜表面，以防止go從膜表面釋放。如上所述用于cbnp的相同接枝方法可以用于go，其中在go上的-cooh和-oh基團與接枝在基礎(chǔ)膜表面上的tmc反應(yīng)(圖3c-3d)。在該方法中，申請人僅利用go的光-熱性能。因此，go片的取向、涂層中g(shù)o片的數(shù)量、以及片間距離(inter-sheetdistance)無需控制。

go膜的高度透水性也是一個優(yōu)點。典型地，md膜孔徑通過考慮水蒸氣滲透性和膜潤濕之間的權(quán)衡進行選擇?？纵^小的膜具有較高的液體穿透壓力，但是具有較低的水蒸氣滲透性。這顯示出以片間距離堆疊的go片構(gòu)成的膜使得水蒸氣幾乎不受高度有序的單層形式的阻礙，滲透通過由go片之間空間形成的納米毛細管網(wǎng)絡(luò)，而其它蒸氣或氣體則不能滲透。這使得go是用于md膜的最佳光-熱組合物。go具有潛力提供高透水性、以及非常重要的揮發(fā)性有機污染物去除，這不能通過現(xiàn)存的md技術(shù)實現(xiàn)。然而，用現(xiàn)有技術(shù)不能實現(xiàn)制造大尺寸的獨立式go膜。

在該實施例中，申請人能夠通過在多孔支撐膜上形成go膜制造納米復合膜。這能夠使得膜具有大孔徑(例如，數(shù)微米)，以及甚至使得親水材料能用于md。因為完整、獨立的go片對于水不是可滲透的，并且片間毛細管壓力極高(預估高達1000bar)，潤濕并未被認為是一個問題?？讖?～5μm(微孔)的pvdf(duraporesv)膜、聚碳酸酯(isoporett、isoporets)膜、以及混合纖維素酯(型號ra和ss)膜能夠作為備選的支撐膜進行測試。

堆疊結(jié)構(gòu)的go涂層可以使用三種不同的方式獲得：旋轉(zhuǎn)涂布、通過過濾的導流裝配、以及用交聯(lián)逐層裝配。前兩個方法用于制造獨立式go膜或紙。然而，預計親水性go和疏水性基礎(chǔ)md膜之間的相互作用太弱，使得難以形成牢固接合。為了解決這一問題，基礎(chǔ)膜可以用聚多巴胺涂敷，并且與tmc反應(yīng)，以在膜和go涂層之間提供共價結(jié)合。由于片間距離d對于水滲透速率很重要，可以通過熱回火和使用肼的化學還原進行調(diào)整。

據(jù)報道，長期浸沒在水中可能會導致片間空間的膨脹和潛在的鹽滲透、以及go的分散。因此，研究在不同溫度和各種溶液環(huán)境(例如，ph、鹽度和二價陽離子)下go涂層的長期穩(wěn)定性。

為了提高go涂層長期穩(wěn)定性，可以使用通過交聯(lián)的逐層裝配。在該方法中，tmc可用于提供將go層結(jié)合到聚多巴胺涂敷支撐層以及交聯(lián)go片(圖3c-3d)。

為了適當對齊go片，各go層可以通過旋涂、隨后與tmc反應(yīng)進行沉積。預期片間距離d取決于交聯(lián)度，這可以通過go的部分還原和調(diào)整tmc濃度進行調(diào)節(jié)。該方法用于在聚砜膜上沉積多達50層的go。然而，在先前的研究中，在50psi處觀察到水通過go-聚砜膜的明顯對流流動。這暗示了go涂層的潤濕，并且與經(jīng)計算的極高的毛細管壓力相反，并且觀察到壓力并未影響水滲透通過go膜。不受理論限制，設(shè)想該矛盾是因為所用制造方法差異或存在涂層缺陷導致的go膜/涂層厚度和結(jié)構(gòu)的差異。

go膜還可以通過旋轉(zhuǎn)涂布制造，在制造期間，強烈的剪切將go片對齊以形成有序的堆疊結(jié)構(gòu)。go層還可以使用浸沒方案組裝，在浸沒方案期間，無規(guī)取向的go片通過tmc迅速交聯(lián)。go涂層還可以是薄得多的(50層相對于0.1～10μm)，并因此更容易具有缺陷。

為了適當對齊go片，各go層可以通過旋轉(zhuǎn)涂敷、隨后與tmc反應(yīng)進行沉積。預期片間距離d可以取決于交聯(lián)度，這可以通過go的部分還原和調(diào)整tmc濃度進行調(diào)節(jié)。

實施例3.光-熱膜性能的評估

在該實施例中，申請人通過如圖4所示實驗室規(guī)模太陽能md系統(tǒng)評估各光-熱膜的性能。實驗室規(guī)模系統(tǒng)使用直接接觸式膜蒸餾(mcmd)構(gòu)造。dcmd單元擁有28.27cm²(8.10cmx3.49cm)有效面積的平板膜。進料和滲透流通道的高度都是0.3cm。6.98cmx3.49cm的石英窗口使得能夠輻照膜表面。具有鋁涂層的玻璃纖維板施加到除了石英窗口之外的dcmd單元的表面，以使得輻照對單元本身的加熱降到最低、以及對環(huán)境的熱損失降到最低。整個單元放置在實驗室制造的太陽模擬器中，所述太陽模擬器具有安裝在光源和石英窗口之間的光學準直器以使得漫射光減到最少。通過由改變燈數(shù)量調(diào)整輻照強度的鎢絲鹵素燈(feitmr16/gu10120v50w氙)提供模擬日光。

蠕動泵使得進料流體和滲透流過dcmd單元進行循環(huán)，其溫度通過兩個具有連續(xù)溫度監(jiān)控的加熱/冷卻水浴保持。所有管子和連接器用隔熱材料纏繞，以使得與環(huán)境的熱交換最小化。冷流儲液器的溢出設(shè)計用于收集蒸餾液，并且臺式數(shù)字秤監(jiān)控蒸餾液的累積質(zhì)量，由此能夠確定通過膜的水蒸氣通量。通過微型電導池的流程安裝在集中滲透管線上，以連續(xù)監(jiān)控滲透電導率。

在該實施例的所有膜樣品上進行液體穿透壓力(lep)測定。lep確定需要多少壓力推動水通過所測試的膜。這是md工藝中的一個重要參數(shù)，表示膜用作進料液體和滲透液體之間屏障的能力。通過觀察逐步增加所施加的壓力，水的突出通過所測試膜，進行l(wèi)ep測定

在該實施例中，使用商用pvdf膜(0.2μm孔徑)、商用尼龍網(wǎng)格材料(7μm孔徑)、sio2/au納米殼(～150nm直徑、120nmsio2核芯)、以及cbnp(馬薩諸塞州比勒利卡卡博特公司(cabotinc.))進行試驗?；A(chǔ)pvdf膜和nm改性膜在模擬太陽輻照的實驗室規(guī)模的直接接觸式膜蒸餾(dcmd)系統(tǒng)(圖4)中進行測試。所使用的進料溶液是1％的nacl，并且透過液(thepermeate)是純水。進料和滲透溫度分別保持在30±1℃和20±1℃。通過由六個鎢絲鹵素燈(feitmr16/gu10120v50w氙)提供模擬日光。改性方法和結(jié)果的進一步細節(jié)在本文中匯總。

實施例3.1.sio2/au納米殼涂敷在涂敷聚多巴胺的pvdf膜上

對于sio2/au納米殼涂層，pvdf基礎(chǔ)膜曝露于2mg/ml在ph～8.5處緩沖的氯化多巴胺(dopaminechloride)溶液和10mmtris-hcl15分鐘。該膜在空氣中干燥，然后曝露于～4.5x10⁹顆粒/ml的sio2/au納米殼水懸浮液30分鐘。然后膜在60℃烘箱中干燥2小時，然后純水進行徹底漂洗。

圖9總結(jié)了改性前后各種膜的lep。結(jié)果表示在涂敷sio2/au納米殼之后，lep沒有明顯變化，并且膜仍能有效地用作md應(yīng)用中的液體阻隔層(liquidbarrier)。

圖5a匯總了在光輻照情況下基礎(chǔ)pvdf膜的性能、以及sio2/au納米殼涂敷pvdf膜的性能。圖5a描繪了每單位膜面積的以質(zhì)量為單位的滲透量(g/m²)增加。曲線的斜率代表滲透通量(g/m²·分鐘)。sio2/au納米殼涂敷膜的通量為60.11g/m²·分鐘，比49.88g/m²·分鐘的基礎(chǔ)膜通量高20.7％?？傊?，上述結(jié)果證實當與基礎(chǔ)膜比較時改性膜的斜率增加。

實施例3.2.cbnp涂敷在pvdf膜上

對于cbnp涂層，膜表面曝露于1wt％的cbnp(氯仿中)1分鐘。然后，去除懸浮液，并且使得膜上殘留的溶劑干燥。然后，所獲得的膜用純水徹底沖洗。

圖9總結(jié)了改性前后各種膜的lep。結(jié)果表示在涂敷cbnp之后，lep沒有明顯變化，并且膜仍能有效地用作md應(yīng)用中的液體阻隔層。

圖5b概況pvdf膜的性能、以及cbnp涂敷膜的性能。在涂敷cbnp之后，比較膜和未改性pvdf膜(66.467g/m²–分鐘相對49.801g/m²·分鐘)，膜通量增加33.5％。

實施例4.cbnp-聚合物納米纖維的靜電紡絲

在該實施例中，申請人論證了通過靜電紡絲制造炭黑納米顆粒(cbnp)-聚合物納米纖維、以及采用cbnp-聚合物納米纖維作為光-熱組合物。該實施例提供了用于使用靜電紡絲涂層形成多孔膜的新型改性方法。該實施例是與包括實施例3.1(auns涂敷膜)和實施例3.2(cbnp涂敷膜)的兩個實施例平行的實施例。

實施例4.1.cbnp-聚合物納米纖維的靜電紡絲

如圖6所說明的靜電紡絲方案用于制造cbnp包裹在聚合物基質(zhì)中的cbnp-聚合物納米復合纖維。在靜電紡絲工藝中使用兩種聚合物：聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)；和聚(乙烯醇)(pva)。

pmma-cbnp復合材料的靜電紡絲使用在含有0.5wt％cbnp的二甲基甲酰胺中的20wt％pmma進行。cbnp/pmma混合物徹夜混合，并在靜電紡絲到未改性pvdf膜之前超聲10分鐘。

在15kv的施加電壓下，以1.5ml/小時注射速率、～15cm的針頭到基材的距離，進行靜電紡絲。使用總計1ml的注射體積用于整個靜電紡絲實驗。對于縮寫，“靜電紡絲pmma”(不具有cbnp)和“靜電紡絲pmma-cbnp”纖維網(wǎng)格材料涂敷膜分別命名為“m-es”和“m-espc”。

pva-cbnp復合材料的靜電紡絲使用在水中的13wt％pva進行。pva用苯乙烯吡啶鎓基團改性，以使得纖維uv交聯(lián)，提供水中的穩(wěn)定性。濃度2wt％的cbnp使用超聲處理(35w)約3小時分散在pva溶液中。在靜電紡絲前，基礎(chǔ)pvdf膜用聚多巴胺(2mg/ml，ph8.5,15分鐘)薄層涂敷，以使得在疏水性pvdf和親水性pva聚合物纖維之間牢固粘合。

在10kv的施加電壓下，以0.35ml/小時注射速率進行靜電紡絲。針頭和基材距離之間的距離為～10cm。改變靜電紡絲時間(5分鐘～2小時)，以制造不同厚度的纖維墊。用靜電紡絲pva水凝膠纖維(不具有cbnp)涂敷的膜和用具有cbnp的靜電紡絲pva水凝膠纖維涂敷的膜分別命名為“hm-es”和“hm-espc?！?/p>

實施例4.2.表征

如圖7a-c所示，納米纖維網(wǎng)格材料的良好編織層形成在用于兩個聚合物-cbnp組合的膜表面。纖維的直徑相當均勻。

pmma-cbnp纖維直徑的柱狀圖(圖8a)顯示出2.5μm的中值和2.47μm的均值。如圖7b的截面圖所表征，涂敷的網(wǎng)格材料層的厚度為～100μm。pva-cbnp纖維直徑相對小很多，通常為400～450nm(圖8)。

還測試在pva溶液中cbnp的不同濃度，并且它們似乎并未顯著改變纖維直徑。pva-cbnp層的涂敷厚度隨靜電紡絲時間增加。約2小時的靜電紡絲施加導致24μm的涂敷厚度(圖11)。去離子水接觸角測試顯示出用親水pva纖維改性的膜(圖12b)比用疏水pmma纖維改性的膜(圖12a)親水性高許多。此外，申請人觀察到足夠厚的pva纖維墊完全潤濕。

xps分析在m-espc上進行。結(jié)果總結(jié)在表1中。pmma中理論的碳和氧的濃度和比率包含在表1中用于比較。表1顯示出纖維中的碳百分比和c/o比率隨著cbnp的添加而增加，這暗示了成功混入。

表1.pmma和m-espc樣品的元素組成

圖9顯示出膜的lep在涂敷靜電紡絲網(wǎng)格材料前后相同，這表明了膜將良好地用作md中的液體阻擋層。

靜電紡絲聚合物-cbnp改性膜的性能在如圖4所示實驗設(shè)置中進行測定，在進料溫度(現(xiàn)在35℃)以及進料和滲透槽高度(現(xiàn)在0.2cm)上進行調(diào)整。如實施例3.2和3.3中所述的光-熱膜也在該新設(shè)置中進行測試用于比較。結(jié)果也總結(jié)在圖10中。

圖10總結(jié)了改性膜的通量。在涂敷光-熱網(wǎng)格材料之后，所述膜的滲透性下降，顯示了在沒有光的情況下，m-espc和hm-espc的通量降低。不受限于理論，設(shè)想了該結(jié)果可能由于通過額外的疏水性光-熱網(wǎng)格材料層增加了蒸氣傳導阻力。

在沒有光的情況下，m-cbnp樣品和m-auns樣品具有可與未改性對照的樣品相當?shù)臐B透通量，這表明了膜性能改變最小化。在m-es和hm-es樣品上都觀察了到滲透通量降低。m-es與未改性的pvdf膜相比降低了21％。hm-es也顯示出通量的類似降低(17％)。有效涂敷產(chǎn)生了額外的層，這可以增加蒸氣傳遞阻力，并導致低滲透性。

在開燈后，在大部分改性膜樣品上觀察到了滲透通量增加。m-cbnp的滲透通量為102.8g/m²·分鐘，比未改性基礎(chǔ)膜增加了14.52g/m²·分鐘。m-auns的滲透通量為99.1g/m²·分鐘，其表示比基礎(chǔ)膜增加了10.6g/m²·分鐘。

可能由于網(wǎng)格材料涂層的額外阻力，m-espcp樣品的通量可以與m-auns樣品相當(99.3g/m²·分鐘)。通過比較具有光和不具有光情況下的樣品通量，m-espc增加是最高的，為23.6g/m²·分鐘，這表明了涂敷espc網(wǎng)格材料在光-熱轉(zhuǎn)換上非常有效。

hm-espc具有所有樣品最高的通量性能，為106.2g/m²·分鐘、以及比pvdf對照增加17.6g/m²·分鐘。該發(fā)現(xiàn)顯示出光-熱納米顆粒包埋在親水性靜電紡絲墊能降低蒸氣阻力，并增加光-熱納米材料(例如cbnp)之間的接觸，由此提高其性能。

無須贅述，可以相信本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠根據(jù)本說明書的描述充分利用本發(fā)明。本文描述的具體實施方式僅僅是示例，并不在任何方面限定公開內(nèi)容。雖然示出并描述了各種實施方式，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的精神和內(nèi)容的情況下可以對其進行各種改變和變動。因此，保護的范圍不受上面的描述的限制，而只由所附權(quán)利要求書限定，權(quán)利要求書的范圍包括權(quán)利要求書的主題的所有等價內(nèi)容。本文中列舉的所有專利，專利申請和出版物的內(nèi)容都通過參考結(jié)合于本文，它們對本文陳述的內(nèi)容提供示例性，程序上或其它細節(jié)上的補充。