太陽蒸發被認為是一種綠色，可持續的水修復策略，在海水淡化，消毒和淡水生產中具有廣泛的應用。水蒸發是水-空氣界面的吸熱過程，水分子的能量在此過程中進行傳輸。因此，在水-空氣界面處進行局部加熱是提高太陽能蒸發的能量效率的有效方法。當前光熱材料的關鍵挑戰是將水與揮發性有機化合物（VOC）分離。當前的材料只能通過相變將水與非揮發性汙染物分離，而不能以廢水中的合成有機物形式存在的揮發性有機化合物以及天然水中微生物代謝產生的生物有機物。汙染物可能與水一起蒸發，導致蒸餾水受到二次汙染，甚至可能富含蒸餾水。因此，非常需要允許水分子容易滲透但阻止VOCs蒸發的光熱材料。
為此，來自哈爾濱工業大學和南洋理工大學等單位的研究人員報導了一種微結構的超薄聚合物膜，該膜能夠通過太陽蒸發以90％的VOC去除率從VOC汙染物中分離出淡水。相關論文以題為「具有選擇性溶液擴散作用的聚合物膜，用於攔截太陽能驅動的水修復過程中的揮發性」發表在頂尖期刊《Advanced Materials》上。
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https://doi.org/10.1002/adma.202004401
水和揮發性有機化合物與聚合物膜的不同溶液擴散行為促進了它們的分離。此外，由於增加了光吸收，擴大了液-氣界面以及縮短了傳質距離，膜的微結構和超薄結構有助於平衡滲透選擇性和產水量之間的平衡。該膜不僅可以有效地蒸發原型中模擬揮發性汙染物，而且還可以攔截天然水源中複雜的揮發性有機汙染物，並生產出符合飲用水標準的水。通過實際演示和令人滿意的淨化性能，這項工作為有效蒸發水修復中的太陽能蒸發的實際應用鋪平了道路。
方案1. a）水和苯酚與PPy的化學親和力。 b）在選擇性滲透過程中，分子大小對溶液的影響以及分子-膜相互作用對擴散的影響。 c）使用MPS-PPy膜產生蒸汽的示意圖。
d）通過MPS-PPy膜進行的選擇性滲透蒸發過程。
圖1. a）通過模板輔助電聚合製備的MPS-PPy膜的數碼照片。 b）PPy金字塔的SEM圖像（上圖）和橫截面圖像（下圖）。 c）扁平膜和MPS-PPy膜的反射光譜。d）在1 kWm–2的輻射下，扁平膜和MPS-PPy膜的紅外照片。 e）輻射（1 kW m–2）下MPS-PPy和PPy PPy膜的溫度變化。 f）在不同溫度下水在PPy膜上的接觸角。 g）漂浮在水面上的PPy膜的顯微鏡照片。
圖2. a）初始酚溶液（5 mgL-1）的吸收光譜，以及分別由MPS-PPy膜，石墨，石墨烯和PPy塗層的碳布產生的蒸汽中的冷凝物。 b）在不同的循環中，由MPS-PPy膜產生的蒸汽中的冷凝物中的苯酚濃度。在每個循環中，每平方米PPy膜產生3升純淨水。c）在輻射（1 kWm–2）下，水和苯酚通過MPS-PPy膜的溶液擴散行為，可用於計算擴散係數。 d）PPy膜中不同揮發性化學物質的歸一化擴散係數。
圖3. a）MPS-PPy膜在輻照下（7 kW m–2）產生的蒸汽照片，以及b）相應的IR照片。c）在光照射下（5 kW m–2），燒杯頂部水表面與底部之間的溫度差異。黑色曲線表示帶MPS-PPy膜的海水數據，紅色曲線表示不帶膜的海水數據。 d）在以下條件下蒸發水的重量隨時間變化：在輻照下使用MPS-PPy膜和PU絕熱材料，在輻照下使用MPS-PPy膜，在輻照下使用平PPy膜，在輻照下用裸水，在MPS-PPy膜下 但不照射，而裸露的水不照射。e）用MPS-PPy膜在太陽輻射分別為1、3、5和7 kW m-2時的蒸發重量與時間的關係。 f）通過使用MPS-PPy膜和PPy塗層的碳布作為光熱材料，使水的蒸發速率提高。 g）在不同光密度下，使用MPS-PPy膜，石墨烯膜和石墨膜作為光熱材料的水蒸發速率
圖4.a）太陽蒸餾裝置的照片。 b）初始海水（新加坡聖淘沙）和從太陽蒸餾系統產生的蒸汽中冷凝的水的離子濃度。 c）初始河水，通過常規多孔蒸發器（石墨氈）和MPS-PPy膜淨化的水的總有機碳濃度和3D-EEM光譜。 d）分別通過常規多孔膜（以石墨氈作為對照樣品）和MPS-PPy膜在原河水中，蒸餾水中的溶解有機物的3D螢光光譜。
總之，本文報告了通過模板輔助電聚合過程開發的微金字塔結構PPy膜，該膜對水和VOC具有選擇性滲透性。在太陽蒸發過程中，VOC的蒸發量達到了90％。 MPS-PPy膜的VOC截留行為歸因於其對水和VOC的選擇性溶液擴散行為，這已通過仿真和實驗結果得到驗證。微型金字塔結構不僅減少了光反射，從而提高了MPS-PPy膜的光熱效率，而且還增加了空氣/ PPy膜界面的面積，從而可以提供更大的表面積來產生蒸汽。
因此，金字塔結構保持了滲透選擇性和產水能力之間的平衡。此外，基於溶液的簡便模板輔助電聚合工藝可製造出薄，均勻且大面積的MPS-PPy膜。所有這些特性使MPS-PPy膜成為太陽蒸發的理想選擇。在一個標準太陽光（1 kW m–2）照射下，其蒸發效率為1.12 kg m–2 h–1。作為概念的證明，MPS-PPy膜用於自然環境中的海水蒸發，冷凝水的離子濃度符合飲用水標準。此外，MPS-PPy膜還成功攔截了河水中的VOC。這些優點清楚地表明了使用MPS-PPy膜進行有效的VOC攔截的太陽能水淨化的可行性。此外，與催化氧化替代方法相比，基於溶液擴散的VOC攔截方法具有不需要昂貴的氧化劑且不產生有機副產物的優點。（文：SSC）
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