浙江大学郑强、吴子良团队《Mater. Horiz.》：水凝胶用于太阳能海水淡化，能量效率高达96.3％！

水凝胶不仅仅可用于生物组织工程！为了缓解洁净水的短缺，太阳能蒸汽发电用于高效海水淡化被认为是一项很有前途的技术，因为太阳能是绿色的，低成本的，可持续的。尽管在纯水环境中已经实现了快速的太阳产生蒸汽，但是大多数现有的太阳能蒸汽发生器（SVG）材料在浓盐水中的脱盐速度都受到阻碍。水凝胶大神吴子良带来一款用于海水淡化的新型水凝胶。

最近，浙江大学郑强教授、吴子良教授，钱劲教授，肖锐研究员合作报道了一种新颖的太阳能蒸汽发生器（SVG）在盐水中比在纯水中显示出优异的脱盐性能。这种SVG是由相对带电的聚电解质络合成一个多级多孔水凝胶(HPH)，渗透聚苯胺作为有效的光吸收剂。在受控的热处理下，这种基于高温高压的SVG在模拟盐水(3.5 wt% NaCl溶液)中，在一次太阳光照下的水蒸发速率为2.79 kg m-2h-1，比在纯水(1.67 kg m-2 h-1)中蒸发率高67%，比现有的耐盐性SVGs更显著。该论文以“Accelerating solar desalination in brine through ion activated hierarchically porous polyion complex hydrogels”为题，发表在Materials Horizons。

通过带正电荷和带负电荷的聚合物络合开发分层多孔聚离子络合物（PIC）水凝胶基SVG，从而在模拟和真实的海水中，在阳光下具有优异的淡化性能。该SVG是通过带相反电荷的聚（3-（甲基丙烯酰氨基）丙基三甲基氯化铵）（PMPTC）和聚（对苯乙烯磺酸钠）（PNaSS）的自组装形成，其中原位聚合的聚苯胺（PAni）为吸光层将太阳能转换成热量，形成PIC/PAni的分层多孔水凝胶（HPH）。亲水水凝胶网络和分级多孔通道可通过毛细作用力不断快速补水。HPH基SVG在模拟海水(3.5 wt% NaCl溶液)中蒸发率显著，蒸发率高达2.79 kg m2h1 ，能源效率高达96.3%。

图1 （a）分层多孔聚离子复合物/聚苯胺水凝胶（HPH）基SVG的示意图，其具有增强的海水淡化性能和耐盐性。（b）HPH制备过程的示意图。（c）HPH水凝胶在掺杂PAni之前和之后的UV-vis-NIR光谱。（d）HPH在不同放大倍数下的SEM图像。（e）通过水接触角测试确定HPH的亲水性。

将SVG暴露在1 kW m -2的模拟阳光下，同时使用红外热像仪监控地表和大量水的温度变化。HPH的表面温度在10分钟内迅速从19.3°C升高到36.4°C，然后在60分钟内逐渐逐渐升高到38.5°C。相反，散装水的温度在60分钟后仅略微升高至22.2°C。

图2 （a）具有可控热处理的HPH基太阳能脱盐设备的剖视图。（b）HPH表面和大量水的温度变化。（c和d）不同浓度的模拟海水中基于HPH的SVG的质量变化与日照时间（c）以及SVG的相应水蒸发速率和能量效率的关系。所有测试的太阳能密度固定为1 kW m-2。

为了评估耐盐能力，在模拟海水（ C NaCl=3.5 wt％）中获得稳定的脱盐性能后，将盐晶体直接添加到HPH表面。HPH上的其他盐晶体可以在表面上引入接近饱和的NaCl溶液，进而研究苛刻的盐度条件下的耐盐性。通过根据质量变化的时变曲线计算斜率，每30分钟记录一次蒸发速率。HPH的这种出色的耐盐性可以通过以下两种机理来解释。首先，分层的多孔结构在淡化过程中提供了快速的补水，并加速了盐交换。其次，模拟海水中的离子可被HPH的离子基团有效捕获，从而建立HPH与大量盐水之间的渗透压差，并提供额外的抽水以加速新鲜盐水的交换。

图3 （a）基于HPH的SVG在其表面添加0.1 g盐晶体之前和之后的质量变化和相应的蒸发速率。（b）在一次阳光照射的条件下，HPH和最近报道的耐盐的SVGs的脱盐性能比较。（c）在连续10小时的光照（一缕阳光）下，天然海水中基于HPH的SVG随时间的质量变化和相应的蒸发速率。（d）海水淡化前后实际海水样品中四种初级离子的测量浓度。

总结：大多数现有的SVG由于物质-离子之间的相互作用不足而使蒸发速度降低，盐水浓度增加，并且这项工作开发的HPH基SVG在所有模拟海水中均显示出极具竞争力的高蒸发速率。高效且耐盐的SVG，在NaCl溶液中，蒸发速率高达2.79 kg m -2h -1，比纯水高67％。用实际海水进行的连续脱盐试验表明，HPH基SVG在实际的水和太阳条件下可以快速稳定地生产淡水。

全文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/mh/d0mh01259a

来源：高分子科学前沿 作者：cheng

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！