摘要：薄膜中自由传输水通道的建立对高效脱盐至关重要,然而靶向合成具有这种传输通道的薄膜材料非常具有挑战性.本研究利用分子设计策略,合成了具有刚性和开放结构的多孔芳香骨架(PAF)膜,以达到调控水传输过程的目的.具有三角形结构的腈基单体在三氟甲磺酸的催化下形成了PAF-98系列膜材料.采用刚性和特定几何形状的单体所合成的膜材料具有4.5-6.7Å的孔道,能够有效分离水分子(2.8Å)和钠盐离子(7.2Å).同时,合成的PAF膜具有很好的柔软性和连续性,是一种理想的海水淡化膜.反渗透实验表明,三种PAF膜对水分子都具有选择性透过的能力,其中PAF-98-E膜具有优异的脱盐效果:水通量为547.1 L m^(-2)h^(-1),钠盐离子的截留率为90%,该性能优于现有报道的膜材料.此外,PAF-98-E膜还能够高效去除实际海水中各种阳离子,在海水淡化中具有广阔的应用前景.

摘要：利用光热材料吸收太阳能产生局域化的热效应实现太阳能蒸汽转化是一项环境友好型海水淡化和废水净化的技术.本文受自然界中叶片蒸腾作用的启发,设计了一种新型仿生叶片结构,以实现高效的太阳能蒸汽转化.这种新型仿生叶片结构由三个部分组成:(1)亲水性聚乙烯醇(PVA)海绵层(相当于叶子中的叶肉组织层),具有高孔隙率和低导热性;(2)聚吡咯(PPy)层(相当于叶子中的叶绿素层)负载于PVA海绵表面以吸收太阳能;(3)微/纳米尺度的多孔疏水表面层(相当于叶片中的气孔层).其中,亲水海绵的PVA聚合物网络提供了高效水传输通道的同时实现了内部水蒸发焓的降低;PPy层吸收太阳能并转化为内能加热气液蒸汽界面的水,实现热局部化,大大减小了热损耗;疏水性多孔表面层的边缘效应,为水蒸气提供了高效逃逸通道.基于仿生叶片结构的太阳能蒸汽转化装置在一倍太阳光强(1 kW m^(−2))下蒸发率高达3.09 kg m^(−2) h^(−1).在室外自然光照条件下成功地对盐水和海水进行了脱盐和净化,平均净水速率为1.4 L m^(−2) h^(−1).这种基于仿生叶片结构的太阳能蒸汽转化装置提供了一种极具潜力的高效水净化方法,有助于利用可持续能源缓解全球水危机.

摘要：传统电化学高级氧化技术存在有机物降解效率不高、能耗大的弊端,并且平板式电极表面存在滞止边界层,严重限制了传质过程.本工作中,我们首先通过水热方法将一维Co_(3)O_(4)纳米针状阵列结构原位负载于金属钛膜电极,低压电场下,实现难降解有机物的去除,其中:对于苯酚的去除率可达≥99%,化学需氧量(COD)和总有机碳(TOC)去除率分别为99.5%和92.5%,电流效率为88.7%,能耗仅为0.061 kW h(kg COD)^(-1).Co_(3)O_(4)纳米针的阵列式膜电极可以提供更多的CoOOH活性位,增强电场强度,而且其穿透式流体模式导致强化对流,可以明显地改善电催化反应过程的传质,因而提高膜电极的催化效率,降低能耗.最后,我们设计了H型电催化膜反应器,耦合阴极的析氢反应,降解有机物的同时制备纯氢,极大地提高了电极和膜反应器的效率.