南昌大学/北京理工大学AM：新型倾斜裂纹光热膜实现太阳能蒸发与原油回收

油性废水是日常生活和工业活动中不可避免的副产物，对生态系统和水资源构成严重威胁。尽管太阳能驱动界面蒸发技术作为一种绿色、可持续的废水处理方式受到广泛关注，但其在处理含油乳液时面临诸多挑战：水分传输不足、油污导致的蒸发衰减以及无法高效回收油资源等问题，限制了该技术的实际应用。传统光热膜在长期运行中易受油污附着，蒸发效率持续下降，且无法实现油水同步回收，成为该领域长期未被解决的核心难题。

近日，南昌大学李越湘教授、王振兴副教授、何芳副教授和北京理工大学安盟研究员合作提出了一种新型倾斜裂纹金属酚醛网络光热膜，成功实现了对乳液中水和油的高效、稳定同步回收。该膜通过裂纹结构优化水传输路径并拦截油滴，结合倾斜设计与油收集器，在连续42小时运行中保持2.6 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，油回收率高达90.6%，且在23天的户外实验中表现出卓越的稳定性，为解决油性乳液处理中的衰减与污染问题提供了全新路径。相关论文以“Tilted Crack-Engineered Photothermal Membranes Achieve Attenuation-Free Solar Evaporation and Oil Recovery From Emulsions”为题，发表在

Advanced Materials

示意图1 a) PP@C-MPNs制备示意图。 b) PP@C-MPNs的裂纹重构并优化水通道以增强水蒸发。 c) 具有丰富“门”结构的裂纹有效拦截油滴。 d) 传统水平放置设计中，即使超疏油材料在长期运行中也会发生不可逆油污附着，导致性能急剧下降。 e) 倾斜设计使油滴在膜下脱落，并被PP制成的油收集器捕获吸附。 f) 集成蒸发器实现高效稳定的水蒸发与油收集。

研究团队首先在多孔聚丙烯膜表面构建了金属酚醛网络涂层，制备出PP@MPNs复合膜。扫描电镜图像显示，原始PP膜为白色多孔结构，而修饰后的膜表面覆盖致密纳米颗粒，颜色变为黑色，元素分布图进一步证实了铁和氧元素的均匀分布。截面图像显示膜两侧形成厚度约11微米的致密层，而内部仍保持多孔结构，这种“夹心”结构为后续裂纹形成与水油分离奠定了基础。

图1 a) PP@MPNs制备示意图。 b) PP@MPNs上表面与截面位置示意图。 c) 原始PP膜上表面SEM图像。 d) PP@MPNs上表面SEM图像。 e,f) PP@MPNs上表面EDX元素分布图。 g,h) 原始PP膜截面SEM图像。 i,j) PP@MPNs截面SEM图像。 k,l) PP@MPNs截面EDX元素分布图。 m) PP@MPNs结构示意图。 n) 原始PP膜与PP@MPNs的拉曼光谱。

通过调控光照强度，研究者在膜表面诱导出不同形态的裂纹网络。在1太阳光照下形成准平行长裂纹，1.5太阳下出现连接性短裂纹，2太阳下则形成网状裂纹。裂纹之间分布的丝状结构形成亚微米级“水门”，既调控水传输速率，又有效拦截油滴。裂纹形成机制源于光照下表面水分子蒸发产生的毛细力，导致纳米颗粒收缩，在固定支撑下形成定向裂纹。该过程在室温下完成，无需复杂设备，具备大规模制备潜力。

图2 a) 不同光照强度下制备PP@C-MPNs示意图。 b–d) PP@C-MPN₁、PP@C-MPN₁.₅和PP@C-MPN₂的SEM图像。 e) 三种膜的节点数量统计。 f–h) 三种膜裂纹细节结构。 i) 裂纹宽度统计。 j) MPNs由纳米颗粒组成。 k) PP@MPNs的低场核磁共振T2弛豫谱。 l) 光照下裂纹形成机制示意图。

在光热蒸发性能测试中，三种裂纹膜均表现出超过90%的光吸收率与约100°C的表面温度，远高于原始PP膜。其中，PP@C-MPN₁.₅的纯水蒸发速率达2.86 kg m⁻² h⁻¹，位居同类材料前列。拉曼光谱与差示扫描量热分析表明，膜表面单宁酸分子通过削弱水分子间氢键网络，降低蒸发焓至约1186 kJ kg⁻¹，显著提升了蒸发效率。有限元模拟与水扩散实验进一步证实，裂纹结构调控水覆盖面积与供给速率，PP@C-MPN₁.₅具有最优的水传输平衡，从而实现最高蒸发速率与94.2%的能源效率。

图3 a) 三种PP@C-MPNs的紫外-可见吸收光谱。 b) 原始PP与不同PP@C-MPNs在1太阳光照下的红外热像图与温度变化。 c) 不同膜的水接触角。 d) 不同膜在1太阳光照下蒸发水量随时间变化。 e) 本研究与文献报道光热膜纯水蒸发性能对比。 f) PP@C-MPNs中中间水与自由水的拉曼谱图拟合。 g) 不同PP@C-MPNs中水的DSC曲线。 h) 三种膜的蒸发焓与能量效率。

图4 a) 纯水系统在0、0.5和1纳秒的分子动力学模拟图。 b) 水+单宁酸系统在相应时间的模拟图。 c) 蒸发水分子数量随时间变化。 d) 水-水、水-羟基与水-羰基的径向分布函数。 e) 三种膜在8毫秒时水浓度空间分布。 f) 各膜平均水浓度随时间变化。 g) 不同PP@C-MPNs的水径向传输速率。 h) PP@C-MPNs中水传输示意图。

为验证实际应用潜力，团队构建了不同倾斜角度的蒸发器处理大豆油-水乳液。水平放置的蒸发器在8小时后蒸发速率骤降至初始值的28%，油污严重附着膜底。而倾斜20°的设计在42小时内保持稳定蒸发，油回收率达90.6%。机理研究表明，倾斜角度提供油滴向上滚动的驱动力，避免其静止附着；同时，倒L形超亲油PP膜能快速捕获并转移油滴至收集槽。随着倾角增大，油滴滚动速度加快，吸收时间从30秒缩短至4秒，但过高的倾角会降低光吸收。综合蒸发速率、稳定性与收油效率，20°倾角表现最佳。

图5 a) 由倾斜PP@C-MPN₁.₅、倒L形PP膜与亲水海绵构成的蒸发器示意图。 b) 不同倾角蒸发器处理乳液时的长期蒸发速率。 c) 倒L形PP膜在蒸发过程中收集油分。 d) 接触时间延长导致油滴附着。 e) 油附着力随接触时间变化。 f) 水平放置时油污堵塞水门示意图。 g) 倾斜膜下油滴滚动并被PP膜吸收。 h) 油收集过程示意图。 i) 不同倾角下油滴归一化驱动力。 j) 倒L形PP膜平行放置时的蒸发速率。 k) 对比蒸发器运行20小时后照片。

在户外实验中，Evap-20°装置连续23天处理含盐乳液，日均蒸发速率稳定在2.2–2.8 kg m⁻² h⁻¹，产水率达1.4 kg m⁻² h⁻¹，油回收率维持90%。收集的冷凝水中盐度与油含量分别低于10 mg/L和20 mg/L，金属离子浓度亦显著降低，表明该系统在真实环境中具备优异的脱盐与油水分离能力。

图6 a) 23天户外自然光下盐水乳液蒸发实验。 b) 盐水蒸发与冷凝装置示意图。 c) 蒸发器产水率与收油率。 d) 收集水中的盐度与油含量。 e) 收集水中各离子浓度。

该研究通过材料与结构协同设计，成功开发出兼具高效蒸发与油回收功能的倾斜光热膜系统，不仅解决了太阳能界面蒸发中的油污衰减难题，更首次实现了乳液处理过程中的油水同步资源化回收。这一技术为可持续废水处理与资源循环提供了新思路，有望在工业废水、海上溢油等场景中发挥重要作用。

来源：高分子科学前沿

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