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Green Energy & Environment｜Janus海绵状光热蒸发水凝胶：兼顾高效产水和高耐盐性

已有 2061 次阅读 2023-7-14 09:52 |系统分类:论文交流

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导读

近年来，太阳能驱动的界面光热蒸发技术作为以最小碳足迹增加淡水供应的技术收到关注。开发兼具高产水速率、高耐盐能力以及低成本的界面蒸发材料是其大规模实际应用的关键。近日，河北工业大学李浩团队将疏水性纳米气相SiO₂气凝胶（SA）和活性炭引入到琼脂和PVA构成的双网络水凝胶骨架中，结合发泡交联工艺，构筑了一种综合性能优异的Janus海绵状光热蒸发水凝胶用于低成本的海水淡化（CPAS）（图1）。

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图1. 图文摘要。

图文详解

传统光热蒸发水凝胶材料大多只适用于低浓度盐水体系，远远达不到长期蒸发和处理工业高盐废水的使用要求。构筑高度互连的3D双峰多孔结构可增强盐离子在水凝胶内部的回流和扩散，但这也导致更多的热损失。通过设计具有疏水蒸发表面和亲水输水区域的Janus结构有助于解决这一权衡问题。然而，现有的Janus结构设计方法通常较为复杂且表面稳定性欠佳，有待开发更加简单高效的方法。此外，光热蒸发水凝胶的力学性能、成本效益以及制备工艺也是影响其大规模实际应用的关键。

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图2. CPAS的制备过程和Janus结构的构筑。

将活性炭（AC）和SA这两种功能性颗粒与琼脂（AG）和聚乙烯醇（PVA）两种聚合物的水溶液混合，在戊二醛和过硫酸铵的作用下，得到化学交联的水凝胶蒸发器（图2a）。由于低密度（~0.5 g cm^-3）和超疏水性，SA在凝胶化过程中会自发迁移并聚集到水凝胶的顶部区域。同时，进一步使用十二烷基硫酸钠（SDS）作为发泡剂，使水凝胶呈现出丰富互连的多孔海绵状结构，提高水凝胶的水输送能力。基于以上机制，诱导了水凝胶Janus结构的自发形成，通过观察CPAS不同位置的SEM和SEM-EDS可验证上述结果（图2b-g）。

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图3. 孔隙结构的调控。

调控水凝胶的孔隙结构有利于实现水输送、盐扩散以及热局域化的平衡。本研究通过控制PVA/AG的比例来调控CPAS的孔径分布。随着水凝胶中AG比例的增加，显示出逐渐减少的孔隙大小（图3a）。不同水凝胶的孔隙率和干密度分别呈现出逐渐减小和增大的趋势，这进一步证实了这个结果（图3b）。CPAS4的多孔尺寸小于100 μm，集中均匀分布在60 μm左右。孔径大小对水凝胶的毛细输水能力和饱和含水量有重要影响（图3c）。事实上，过高或过低的饱和含水量都不利于蒸发。水凝胶的温度分布数值模拟显示了其热局部化的差异，并与实验测试结果相似（图3d）。水流速率的模拟结果也进一步证实了较大的孔隙结构会导致更快的水传输速率（图3e）。这些结果表明，CPAS4的孔结构更有利于蒸发。

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图4. 耐盐能力。

在处理25 wt% NaCl溶液时，没有添加SA的CPA表面逐渐出现了大量盐结晶，而CPAS在光照10 h后，顶面仍然是清洁的（图4a-b）。相对于目前已研究报道的耐盐型太阳能蒸发器，CPAS的整体性能（蒸发率和盐度）更胜一筹（图4c-d）。强大的耐盐能力归因于Janus结构和丰富互连的孔隙结构。由于SA在顶部区域的聚集，水凝胶的粗糙顶面是疏水的，水接触角为143.3°，光滑底层的水接触角为0°（图4e）。顶部疏水表面阻止了盐水进入吸光界面，而底部亲水和互连3D孔隙结构可将高浓度的盐水快速输送回底层盐水中（图4f）。从图4g可以看出，CPAS的底部区域具有快速溶解盐的能力。

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图5. 力学性能。

一般水凝胶的力学性能往往较差，在一定程度上限制了其在一些特殊场景下的应用。本研究中引入的气泡孔结构可以在较大程度地通过弯曲和反转吸收应变能，有效提高水凝胶的弹性和韧性。AG可以与PVA骨架形成稳定的交联双网络，对于提高水凝胶的韧性和弹性具有重要意义。在50%的应变下超过100次连续的压缩-释放后，CPAS依然保持89.3%原始压缩强度（图5a）。经过数千次压缩释放循环后，蒸发率几乎保持稳定（图5b）。由于具有良好的韧性和弹性，CPAS可以很好地被折叠和扭曲而不被损坏（图5c）。

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图6. 户外性能测试。

以渤海海水作为海水淡化对象进一步验证了CPAS实际生产淡水的可能性（图7）。从7:00至18:00仔细记录了室外环境下的太阳光强度、水凝胶的表面温度和质量变化。13:00时，自然光强度和CPAS的表面温度为930 W m^-2和47.8 ℃，蒸发量达到最大值3.7 kg m^-2 h^-1。收集的淡水中所有离子的浓度降低了3-4个数量级，达到了世界卫生组织的饮用水标准。

此外，CPAS具有较高的成本效益，它的总材料成本估计为5.44 $ m^-2。CPAS的成本效益（ԑ）可用以下公式计算：

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其中r是蒸发率（g m^-2 h^-1），c是材料成本（$ m^-2）。CPAS的成本效益估计为652 g h^-1 $^-1，CPAS较高的成本效益不仅归因于其较低的原材料成本，更重要的是，简单且可扩展的发泡交联工艺极大提高了原材料的利用率。

总结与展望

本研究将AG和SA引入到PVA聚合物网络中，开发了一种综合性能优异的Janus海绵状水凝胶太阳能蒸发器。AG的引入使CPAS具有低蒸发焓、可调的孔结构和良好的机械性能。SA的自分布诱导了水凝胶Janus结构的自发形成，使水凝胶具有表面疏水和内部快速水传输的双重功能区特性。基于这些多重机制，实现了优异的耐盐性（25 wt% NaCl）、高效的水蒸发（3.56 kg m^-2 h^-1）和良好的力学性能。加之水凝胶制备材料的低成本、环境友好性以及简单可扩展的发泡交联工艺，CPAS在界面太阳能蒸发领域显示出良好的实际应用潜力。

原文信息

相关成果以“Biomass-enhanced Janus sponge-like hydrogel with salt resistance and high strength for efficient solar desalination”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为河北工业大学李浩副教授。此成果得到了AAAS主办的全球科技新闻网站EurekAlert报道，报道原文请见https://www.eurekalert.org/news-releases/989395