上海交通大学王如竹团队Adv.Sci.综述：用于空气集水的多孔吸湿聚合物

随着气候变化和供水污染的发生，干旱已成为对人们生存的严重威胁。海水淡化具有因其可大量低成本地获取，是十分有潜力解决淡水缺少地问题，依赖海水的海水淡化不适用于内陆地区，但是内陆地区又是缺乏淡水严重地区域。在这种情况下，基于大气空气水气的空气技术是解决全球水问题的更普遍和多样化的解决方案。相应的方法主要包括雾水收集、露点集水、基于制冷的冷凝水收集和基于吸附的空气水收集。虽然雾捕获和露水收集已被用于军事和灾后淡水供应，但当相对湿度低于40%时，基于这两种方案的设备无法正常运转。而基于制冷的冷凝集水技术在低湿度或中湿度地区能耗较高。相比之下，基于吸附的空气水收集技术是唯一能够以节能方式在所有湿度范围提供清洁水的技术。

在基于吸附的空气水收集技术中，吸附剂是发挥水分吸附和解吸功能的关键要素之一。随着基于吸附的空气水收集技术的发展，出现了各种吸附剂，例如常规吸附剂（硅胶，沸石），复合吸附剂（CaCl2-浸渍硅胶）、金属有机骨架（MOF）、水凝胶和其他复合材料。根据其各自的特性，各种吸附剂具有不同的吸附性能，并适合特定的操作条件。

由于亲水性聚合物在低湿度下吸湿性，难以实现空气中水的收集。一般而言，在低湿度下，通常选择MOF-801，MOF-303等MOF材料实现对水的收集。然而受MOF的粉末形式限制，并且价格昂贵，这些材料在实际的基于吸附的空气水收集器件中是一个有争议的选择。MOF基吸附剂床的传热和传质性能较差，将损害整体集水性能，并降低实用基于吸附的空气水收集装置的产水性能。吸湿性多孔聚合物，例如凝胶，凝胶衍生物和泡沫/海绵的改性，具有多种的吸附机制和独特的材料结构特性。因此与其他新型吸附剂相比，吸湿性多孔聚合物具有高水容量，快速吸附动力学和高导热性，在各种湿度下的空气集水都有巨大的潜力。上海交通大学王如竹团队最新综述从吸湿性多孔聚合物的当前发展、吸湿性多孔聚合物的吸附机理、吸湿性多孔聚合物在空气水收集系统中的优化策略和吸湿性多孔聚合物的展望四个方面，详细介绍了吸湿性多孔聚合物。综述标题为“Hygroscopic Porous Polymer for Sorption-Based Atmospheric Water Harvesting”，发表于 Advanced Science上。

吸湿性多孔聚合物的当前发展

吸湿性多孔聚合物主要可分为两类：一类是依托表面亲水官能团表面粗糙的多孔结构的吸水聚合物材料，另一类是;另一种是多孔骨架（多孔骨架包括水凝胶，气凝胶，泡沫，海绵等）和吸湿性物质（吸湿性物质包括一些无机吸湿性盐，有机亲水聚合物和其他活性离子）的组合。属于第一种机制的吸湿性多孔聚合物通常是一些纯水凝胶或气凝胶，例如ZnO x水凝胶和 G-PDDA 气凝胶。第二种吸湿性多孔聚合物通是将无机盐或有机亲水性单体嵌入凝胶基或泡沫/海绵基骨架中，例如PAM-CNT-CaCl2等。

吸湿性多孔聚合物的吸附机理

吸湿性多孔聚合物的水吸附通常有四种机理：i）亲水官能团和水分子之间非共价相互作用的化学吸附;ii）层或簇形式的单层和多层吸附;iii）纳米级多孔结构中的毛细管缩合;iv）通过吸湿因子和水分子之间的共价相互作用进行化学吸附。大多数吸湿性多孔聚合物表现出多种的水吸附行为，而不是单一的吸附机制。根据上述四种机理，吸湿性多孔聚合物可主要分为两类吸附行为。第一种主要包括一些纯水凝胶和气凝胶，它们利用表面亲水官能团来捕获水气形成有序水分子层。结合水的一部分作为附加活性位点诱导多层吸附行为，随后在众多纳米级孔隙中发生毛细管缩合。这种吸湿性多孔聚合物通常出现皱褶，具有粗糙的纳米级多孔结构。第二种主要是吸湿物质和轻质多孔骨架的组合。对于这种吸湿性多孔聚合物，主要依赖吸湿物质进行化学吸附过程，并通过形成氢键，电子相互作用或共价相互作用来捕获水分。多孔基质负责储存和封装收获的水。

吸湿性多孔聚合物在空气水收集系统中的优化策略

为了保证吸湿性多孔聚合物吸附床对水气的收集能力，关键在于需要增强吸湿性多孔聚合物从表面到内部的蒸汽扩散，主要手段有以下三点：i）通过构建宏毫米级的多孔结构来增加吸湿性多孔聚合物的比表面积，以最小化水分子的扩散长度。ii）对于内部不直接暴露于环境水分的捕水部位，可以采用合理构建多孔结构来减轻曲折性。iii）构建均匀的微尺度多孔结构（孔隙直径一般在0.1μm以上）可以为水蒸气的自由扩散提供充足的通道。同样，还需要优化集水设备的结构和冷凝器的设计，实现整体设备的高性能集水。对于解吸过程，则需要考虑孔结构对水迁移的影响。

吸湿性多孔聚合物的展望

几乎所有现有的基于吸湿性多孔聚合物的空气集水系统都是由太阳能驱动的水解吸，这在一些没有充足阳光的干旱地区这种方案是不可行的。因此，为了拓宽其应用范围，应考虑电加热等其他方法。除此之外使用了几种具有温敏性聚合物，例如PNIPAM，羟丙基纤维素（HPC）和聚 N-乙烯基己内酰胺（PVCL），利用相变实现对水的低能耗捕获。

来源：高分子科学前沿

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