摘要：全球人口激增和经济社会高速发展促使人类对安全高品质的淡水需求日益增加。由于淡水资源分布不均、自然气候异常变化和工业对淡水资源污染使得全球淡水匮乏的危机日益临近。相比传统“半透膜反渗透”的技术，亲/疏水复合薄膜在不需要加外压下，利用复合薄膜亲水结构吸收海水，借助疏水结构吸收太阳能产生热量蒸发吸收的海水。在理论上，可以大大减少能量的消耗，降低了海水淡化成本。
关键词： 复合膜 亲水结构 疏水结构
一、引言
该试验中，通过聚多巴胺（PDA）和聚乙烯亚胺（PEI）包裹制备层层聚合的碳纳米管（CNTs）超疏水薄膜。利用紫外光谱学、椭圆光度法以及损耗测定值（QCM-D）证明了PEI和PDA改性的CNTs的连续沉积使得PEI-CNT@PDA膜呈线性增长，该薄膜中，CNTs的质量分数高达77%。该膜在SDS水溶液中甚至可以承受30分钟的声波降解。扫描电镜（SEM）的观测结果表明该膜是由纳米级的缠绕态的CNTs的相互穿插的网络结构所组成，通过观测还展示出一个非常粗糙的表面形态。在涂上低表面能量的化合物之后，PEI-CNT@PDA膜开始具有超疏水性质。叠层组装去合成的聚碳纳米管薄膜，同其他方法相比较，叠层组装能够很好的控制合成的聚碳纳米管复合材料膜的厚度和成分。其中，在纳米尺寸上它可以减少聚碳纳米管的相分离。此外，我们合成了一个载有高含量CNT的高强度多层膜，通过取代PDA改性CNT和PEI 。
二、实验
2.1 聚多巴胺改性的碳纳米管的制备（CNT@PDA）
100ml的MWCNTs和10ml多巴胺加入到100ml，pH值为8.5的10mM三羟甲基氨基甲烷盐酸盐（Tris-HCl），在功率为200W的条件下采用声波降解法分散1 min，再将该混合物在室温下大力搅拌48 h。产生的分散物在3000 rpm的条件下用离心机分离10 min以除去大量的聚集物和不溶性残渣。pH为8.3
2.2 监测(PEI–CNT@PDA)膜生长
在(PEI–CNT@PDA)n膜的生长过程中，在干燥状态下，用石英晶体微天平和物质损耗技术测质量变化。多层膜被沉积在镀金的石英晶体上。在每一单层上沉积之后，晶体的共振频率就能够被记录下来。以此方式，石英晶体的沉积质量（∆m）与获得的频率偏移（∆f）成反比。公式如下：
其中C是质量敏感性因素，n是一个常数，三次谐波频率被记录下来。
2.3 仪器和测量
在200kV加速电压下，高分辨率的透射电子显微镜图像被JEM 2100电子显微镜记录下来。在空气中，25 ℃到800 ℃的温度范围内，以10 ℃/min的加热速率利用Perkin-Elmer Pyris 1 TGA系统去进行热重分析。用场致发射电子显微观测膜的表面形态。在各种温度下，用DSA接触角测量系统测定接触角。每个报告至少要包括5次的测量。
三、实验结果分析
多巴胺通过π-π堆叠与CNTs的外壁具有强的相互作用。在碱性条件下，利用多巴胺的自聚合作用，碳纳米管可以随时被聚多巴胺涂层改性。未被PDA包裹的CNTs和被PDA包裹的CNTs如图1所示。由于强的范德瓦尔力作用，原始的CNTs在经声波降解之后会立刻团聚和沉淀。与此相反的是，CNT@PDA均匀的分散，分散体系在长时间内都是非常稳定的。CNT@PDA具有极好的稳定性是由于在酸性条件下PDA涂层表面带负电。利用紫外光谱对CNT@PDA的分散体系观察，存在大的集束的原始CNTs在紫外可见光谱上没有明显的吸收，这是由于集束CNTs的光致发光的猝灭效应。然而，由于一维
的范霍夫奇点，分散较好的个别CNTs在紫外可见光区域非常活泼，在200 nm到300 nm范围内形成特征带。CNT@PDA的分散在紫外可见光区域有强烈的吸收，在263 nm处可以观测到最大的吸收量，这个结果表明PDA能够促进CNT集束的解开并形成一个稳定的分散系。
图1 CNTs分散体系（左）、PDA（中）、CNT@PDA（右）以上体系用Tris-HCl（pH10, 10 mM）处理：（a）试样1 min，（b）试样30 min，（c）试样1个月
为了可视化CNTs的分散状态和形态。原始的CNTs存在大的聚集或是集束（图2a），在紫外可见光区域表现出低吸收。与此相反，分散较好的CNT@PDA在经过PDA改性后（图2-c），在紫外可见光区域存在大量的吸收。在CNT@PDA的侧壁可以清晰的观察到大约2 nm厚度的均匀PDA层（图2d）。从而直接证明多巴胺在CNT表面上成功的原位自生氧化聚合。
图2：ac为低分辨率SEM图像、bd为高分辨率SEM图像；ab为原始CNTs图像、cd为CNT@PDA图像
利用热重分析可以计算出CNT@PDA中CNTs的含量。原始的CNTs是热稳定的，在低于530 ℃的温度下不会失去任何的重量，然而PDA在200 ℃就开始失去重量。在200到530℃温度区间内，纯的PDA会失去其总重量的63 %。因此，根据热重数据可以估算出CNT@PDA中CNTs质量分数为 85 %。
4.结论
以上给出了一个简单而又直接的制备高含量CNTs（质量分数77 %）薄膜的方法。SEM图像显示薄膜是由CNTs随机取向的互穿网络结构组成。一个灵活的自支撑薄膜无需经过任何后交联就能够简单的制备出来。超薄膜呈现出极好的稳定性，即使在饱和的SDS溶液中声处理30 min后仍旧能够保持完整。此外，在经过氟硅烷修饰后就能够获取超疏水(PEI–CNT@PDA)薄膜。具有良好相容性的超疏水薄膜在海水淡化与膜分离领域存在巨大的应用潜力。
参考文献
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论文作者:罗兰
论文发表刊物:《科技中国》2017年11期
论文发表时间:2018/5/2
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