高抗盐性 3D 水凝胶蒸发器，用于通过局部结晶进行连续太阳能脱盐

【介绍】

新兴的界面蒸发太阳能淡化显示出缓解全球淡水危机的巨大潜力。然而，蒸汽产生过程中整个蒸发表面的盐沉积导致蒸发速率和长期稳定性的恶化。

【摘要】

最近，大连理工大学李林副教授/唐大伟教授团队证明了基于水凝胶的 3D 结构可以通过盐局部结晶作为高效稳定的太阳能蒸发器，用于高盐度盐水脱盐。在这种新颖设计促进的微米级盐水传输管理和边缘优先结晶的作用下，这种 3D 水凝胶蒸发器即使在 20 wt% 的盐水中连续 24 小时也表现出优异的耐盐性能，光热表面上没有盐沉积照明。此外，凭借有前途的 3D 结构和水凝胶优异的水传输的协同效应，所提出的蒸发器具有出色的蒸发性能，在高盐盐水（10 至 25 wt% NaCl) 在 1 次阳光照射下，是文献报道的最佳值之一。该设计具有稳定高效的高盐盐水蒸发性能，在可持续太阳能海水淡化中的应用潜力巨大。相关论文以题为Highly Salt-Resistant 3D Hydrogel Evaporator for Continuous Solar Desalination via Localized Crystallization发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 使用基于水凝胶的 3D 蒸发器的稳定太阳能海水淡化系统示意图，该蒸发器由 MXene 纤维布、圆锥台 PVA 水凝胶和商业支撑泡沫组成。在阳光照射下，盐水通过 PVA 水凝胶转移到 MXene 纤维布上，然后产生蒸汽。盐在蒸发器边缘结晶。a) 在传统蒸发器的基础上，盐沉积在整个蒸发器表面。b) 通过将毛细管泵送和 PVA 水凝胶的溶胀行为相结合，提高了盐水的运输能力，从而提高了耐盐性能。c) 基于 PVA 水凝胶的锥形截头锥体蒸发器能够在高盐度盐水脱盐下沉积边缘优先盐。d) 与传统蒸发器（左）相比，径向盐水输送导致局部盐结晶（右）。

图2 a) PVA 的 FTIR 光谱。b) 显示中间水和自由水强度的拉曼光谱。c) PVA 水凝胶的溶胀试验，以 PVA 海绵为对照。红线和蓝线分别代表 PVA 水凝胶和 PVA 海绵的质量增加特性。d) 冷冻干燥后 PVA 水凝胶不均匀孔的 SEM 图像。e) PVA 水凝胶的可压缩性。

图3 a) MAX (Ti3AlC2) 和 MXene (Ti3C2) 的 XRD。b) MXene 和空气质量 1.5 全局 (AM 1.5 G) 倾斜太阳光谱的 UV-vis-NIR 吸收光谱。c,d) 通过 DFT 理论计算的 MXene 的能带和态密度。e) 在室温 28 °C 下，在 1 次太阳辐照度下，锥形截头锥体蒸发器表面和散装盐水的温度响应。f) 圆柱形蒸发器和圆锥台蒸发器的温度分布模拟。

图4 a) 圆柱形蒸发器和截头锥体蒸发器的盐水迁移和盐结晶性能图解以及不同盐水中 24 小时连续太阳照射结束时盐积累状态的相应数码照片。b) 在盐度为 3.5 至 25 wt% 的盐水中的蒸汽发生性能，以常规圆柱形蒸发器和散装水作为对照。c) 与近期文献报道相比，锥形截头锥体蒸发器在不同盐度下的太阳能蒸发性能。灰色阴影是指盐局部结晶的报告。d) 在连续 1 日光照实验中，盐分别在 5、10、15、20 和 25 小时结晶并落在锥形截头锥体蒸发器的边缘。关灯后盐晶体完全重新溶解。e) 在连续 1 次太阳辐照度 (1 kW m−2) 下 24 小时，不同盐度的盐水在锥形截头锥体蒸发器上的蒸发率。f) 锥形截头体蒸发器在 3.5 wt% 盐水中在一次阳光照射下 7 天每天 8 小时的长期蒸发率。

图5 a) 当输入盐水的盐度为 10、15、20 和 25 wt% 时，锥形截头锥体蒸发器的 NaCl 质量百分比。b) 对流质量传输速度的数值模拟映射，箭头表示方向。c)有效扩散系数的数值模拟结果，箭头表示方向。d) 表面上的蒸汽浓度。e) 锥形截头锥体蒸发器的传热和传质图示。f) 测量蒸发表面中心和边缘的温度。g) 锥形截头锥体蒸发器的温度分布，边缘温度明显下降。

图6 a) 测量脱盐前后不同盐度（3.5、10、15、20 和 25 wt%）盐水中 Na+的浓度。b) 纯化前后 HCl 和 NaOH 溶液的 pH 值比较。c) 锥形截头锥体蒸发器的重金属离子去除性能。d) 纯化前后溶液样品的数字图像（CuSO4 和 NaCl 的 10 wt% 混合溶液以及 10 wt% CuSO4 的混合溶液）。

【总结】

该团队报告了一种通过使用基于水凝胶的锥形截头锥体蒸发器的局部结晶来稳定太阳能淡化的耐盐策略。该蒸发器由 MXene 纤维布和 PVA 水凝胶以及可变尺寸的盐水通道组成，可实现出色的水传输并在蒸发过程中保持蒸发表面的润湿性，甚至处理高浓度盐水。同时，巧妙地设计了锥形截头体结构，以进行微级盐水输送管理，并提高了边缘优先结晶能力。基于上述优异性能，锥形截头锥体蒸发器在普通 3.5 wt% 盐水中 7 天的蒸发率为 2.22 kg m-2 h-1，在宽广范围的盐水中平均蒸发率为 2.07 kg m-2 h-1。盐度范围为 10 至 25 wt%。盐在边缘结晶，将沉积的盐与蒸发表面隔离。同时，通过实验和数值方法讨论了导致性能稳定的盐沉积机制。此外，通过实验证明了锥形截头锥体蒸发器去除重金属离子或平衡pH值的潜力。设计的锥形截头锥体蒸发器的长期稳定性能促进了太阳能海水淡化的实际应用。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202104380

版权声明：「高分子材料科学」旨在分享学习交流高分子聚合物材料及科研等领域的研究进展和新闻。编辑水平有限，上述仅代表个人观点，详见原文。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！