【摘 要】
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水资源短缺正逐渐威胁着人类社会的可持续发展,已成为最严峻地全球性挑战之一。太阳能驱动的水纯化技术能利用丰富且绿色的太阳能,直接从海水或者污水中提取干净水。太阳能驱动的水纯化技术具有环境友好、低成本和低能耗等优点,对于缓解水资源短缺,尤其是偏远且不发达地区,具有极大的潜力。太阳能驱动的水纯化技术主要包括界面蒸发和太阳能膜蒸馏（SDMD）。界面蒸发主要依赖于界面蒸发体,具有较高的水汽产生速率,但水汽冷
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水资源短缺正逐渐威胁着人类社会的可持续发展,已成为最严峻地全球性挑战之一。太阳能驱动的水纯化技术能利用丰富且绿色的太阳能,直接从海水或者污水中提取干净水。太阳能驱动的水纯化技术具有环境友好、低成本和低能耗等优点,对于缓解水资源短缺,尤其是偏远且不发达地区,具有极大的潜力。太阳能驱动的水纯化技术主要包括界面蒸发和太阳能膜蒸馏（SDMD）。界面蒸发主要依赖于界面蒸发体,具有较高的水汽产生速率,但水汽冷凝速率不足。为此,科研工作者将界面蒸发和传统膜蒸馏工艺进行结合,提出SDMD的设计。在SDMD系统中,光热膜是最关键的部分。通过引入不同种类光热材料和改进膜的制备工艺,SDMD中光热膜的稳定性、抗浸润性和耐盐性等性能都明显提升。地球上大部分地区的太阳光辐照强度不超过1 sun（1 kW m-2）,在此太阳光照强度下,已有光热膜的能量利用率不高,导致其产水能力不足,极大地限制其实际应用。因此,提高SDMD中光热膜在低太阳光照下的能量利用率刻不容缓。此外,自然界中的水体和工业废水中含有大量的挥发性有机物（VOCs）,在太阳能水纯化过程中,VOCs分子和水同时汽化,且VOCs分子的挥发速率往往高于水,导致VOCs在冷凝液中富集,造成二次污染。因此,在太阳能水纯化过程中,实现水中VOCs的高效去除极其重要。近些年来,通过对光热材料的选取及其结构的优化,界面蒸发体的光热转化性能、能量利用率和水汽蒸发速率等性能得到了极大改善。受其启发,本文以聚苯胺（PANI）纳米纤维为光热材料,通过控制PANI纳米纤维在膜表面的形态,来调控膜表面光热层的结构,从而提高SDMD中光热膜的能量利用率。在此基础上,将PANI纳米纤维和类沸石咪唑酯金属有机骨架（ZIF-8）复合,用于水中VOCs的高效去除。具体内容如下:通过稀溶液化学氧化聚合法合成亲水的PANI纳米纤维分散液,将其抽滤到疏水的聚偏二氟乙烯（PVDF）微滤膜表面,得到PANI纳米纤维网光热层。通过研究膜表面PANI光热层对其太阳能膜蒸馏性能的影响发现,膜表面PANI光热层的厚度存在一个最佳值。在低于最佳厚度之前,随着PANI光热层的厚度增大,膜对太阳光的吸收率增加,滤液通量和能量利用率增加。在高于最佳厚度之后,PANI光热层厚度的增加不会明显提升膜对太阳光的吸收率,主要表现为PANI光热层向进料液的热损失增加,滤液通量和能量利用率降低。除了上述PANI纳米纤维网光热层,受飞蛾眼睛表面的抗反射纳米结构的启发,在疏水的PVDF微滤膜表面,利用化学氧化聚合法,直接生长上一层垂直的PANI纳米纤维阵列。从实验和理论模拟两方面入手,系统地阐述了垂直的PANI纳米纤维阵列具有较强的光捕捉能力,能促使太阳光在其内部发生多重反射直到被吸收,因而赋予光热膜极高的光吸收率（95%）。将该光热膜用于直接接触式的SDMD,在1 sun太阳光照射下,且进料液没有经过预先加热,其表现出高达1.09 kg m-2 h-1的滤液通量和74.15%的能量利用率,超过以往报道的用于同类型SDMD中的光热膜。为了实现水中VOCs的高效去除,在商业的PES微滤膜表面包裹上一层PANI纳米纤维阵列,然后在PANI纳米纤维阵列的表面生长一层较薄的ZIF-8层并对其进行疏水修饰,得到具有PANI/ZIF-8双层结构的光热膜。ZIF-8的最小孔径刚好介于水分子和VOCs（以苯胺分子为例）分子的分子尺寸之间,基于孔径筛分效应,PANI/ZIF-8光热膜能让水分子通过,而阻止VOCs分子通过。实验结果表明,该光热膜对水中常见的VOCs具有99%的截留率,显著优于已有文献报道的界面蒸发体。而且,该光热膜能有效地处理高浓度（50-400 mg L-1）的VOCs废水,且具有优异的稳定性。该项研究为太阳能水纯化中VOCs废水的高效处理提供了新的思路。
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