Superstructure-Enabled Anti-Fouling Membrane for Efficient Photothermal Distillation

膜蒸馏 材料科学 结垢 海水淡化 光热治疗 化学工程 润湿 太阳能 蒸馏 纳米技术 生物污染 工艺工程 化学 复合材料 色谱法 生物 生物化学 工程类 生态学
作者
Biyao Gong,Huachao Yang,Shenghao Wu,Jianhua Yan,Kefa Cen,Zheng Bo,Kostya Ostrikov
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:7 (24): 20151-20158 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.9b06160
摘要

Photothermal membrane distillation (MD) combining solar harvesting and heat localization is a rapidly emerging technology for water purification and desalination. However, state-of-the-art photothermal MD still suffers from several issues in membrane fouling, material instability, poor long-term performance, and complex synthesis. Herein, we demonstrate a multilevel-roughness membrane by immobilizing a nanoparticle-assembled superstructure on a nanofibrous membrane to obtain omniphobic surface wettability. The nanoparticle-assembled superstructure with abundant nano-/microchannels and low surface energy simultaneously captures solar energy, repels chemical/oil-based contaminants, and facilitates vapor flow. The unique mechanism based on the effects of the multilevel-roughness structure allows effective control of surface wettability, leading to a successful photothermal MD application, highlighted by highly efficient solar-thermal conversion, excellent antifouling behavior, and durability. A high clean water yield of 9.01 kg m–2 h–1 is obtained at a solar intensity of 10 kW m–2, corresponding to a solar-water efficiency of 66.8%. More importantly, when operating in complex feed-water conditions, including oil contaminated and high-saline solution, the speed of clean water generation still presents excellent stability over 48 h of consecutive operation, which significantly outperforms the commercial distillation membranes (typically 1 h). Multiple merits of efficient solar-thermal conversion and long-term stability, supported by techno-economic and scalability analyses, make the composite membrane promising for clean water generation from diverse contaminant mixtures in the solar-driven MD system.
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