CEJ|一种自浮式集成水凝胶蒸发器，具有高效的耐盐性和热定位功能，可实现高效的太阳能海水淡化

研究背景

水资源的枯竭已成为现代社会日益令人担忧的问题，对人类的生存和经济发展具有重大影响。近年来，人口的快速增长和猖獗的环境污染导致全球淡水短缺迫在眉睫。为了有效缓解淡水危机，蒸馏、多级闪蒸、反渗透等各种海水淡化技术正在迅速发展，并被应用于许多领域。然而，这些传统技术的各种问题，如温室气体排放、水污染和高能耗等，不可避免地限制了它们的广泛应用。为了克服这些局限性，太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）因其高效率和低能耗而成为一种有前途和可持续的淡水生产方法。

有许多关于太阳能蒸发器的研究报告，如水凝胶、气凝胶、和生物质、蒸发器。然而，对于大多数蒸发器来说，由于热量损失和盐分积累，蒸发速率和蒸发效率受到限制。造成这种现象的主要原因如下。首先，许多太阳能蒸发器不能自行漂浮，通常需要安装在带有输水装置的泡沫板上。这种蒸发装置实际上减少了向水体的热量传递。然而，随着连续蒸发过程的进行，水体的盐浓度增加，一维通道的水分输送能力明显降低，降低了蒸发器的汽化性能，影响了蒸发器的稳定性。其次，大多数蒸发器既是输水层又是光热层，不仅增加了光热材料的浪费，还导致光热层与水体直接接触，造成热量损失。第三，在蒸发实验中，部分蒸发器的光热层完全暴露在空气中。此时，光热层的温度高于环境温度，导致光热层将热量散失到环境中，从而降低了蒸发速率和效率。因此，理想的太阳能驱动界面蒸发器不仅要具有较高的蒸发性能，还要具有优良的稳定性、良好的耐盐性和低成本。最近，共轭聚合物水凝胶因其固有的水性质和易于定制的内部多孔结构而在研究人员中广受欢迎。通过掺入亲水官能团来调节水与共轭聚合物网络之间的相互作用，实现了SDIE的高蒸发性能。

因此，兰州理工大学刘健副教授团队研究设计并制备了一种用于太阳能海水淡化和废水处理的自浮式双层水凝胶蒸发器（PPAC蒸发器）。PPAC蒸发器由发泡聚苯乙烯、聚乙烯醇（乙烯醇）、聚乙烯吡咯烷酮、琼脂和导电炭黑制成。发泡聚苯乙烯板提供浮力。PPA水凝胶是PPAC蒸发器的水输送层，起到连续供水的作用。PAC水凝胶是PPAC蒸发器的光热层，起到光热转化的作用。蒸发器的双层结构设计，避免了光热层与水体的直接接触，减少了热量损失，减少了光热材料的浪费。通过这种独特的设计，可以实现出色的热定位和快速传质，从而实现高效的水分蒸发。利用制备的PPAC蒸发器研究了不同导电炭黑含量的蒸发，以找到传热传质之间的最佳平衡。

相关成果以“A self-floating integrated hydrogel evaporator with efficient salt resistance and thermal localization for efficient solar water desalination”为题发表在化工领域国际期刊《Chemical Engineering Journal》(IF=15.1，JCR一区，中科院工程技术1区Top）上

研究内容

设计了一种带有自浮系统的双层水凝胶蒸发器。蒸发器由发泡聚苯乙烯板、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、琼脂和导电炭黑制成。蒸发器的结构设计提高了蒸发系统的输水能力，有效减少了热量损失，使蒸发器具有高效的耐盐性和热定位性。在1 kW m -1的照明下，蒸发器表现出2.77 kg m -1h -1的出色蒸发速率和94.25%蒸发效率。此外，蒸发器对有机废水四硝基苯酚和亚甲蓝的净化率分别达到99.8%和100%。该蒸发器具有稳定高效的太阳能净水能力，为大规模太阳能海水淡化和净水提供了新途径。

研究数据

图 1.PPAC蒸发器制造工艺示意图。（a）PPA水凝胶和（b）PAC水凝胶的制备。（c） PPAC蒸发器组装工艺。

图 2.（a） PPAC蒸发器的光学图像。（b、c）冷冻干燥后纵切片PAC水凝胶的SEM图像。（d、e）冷冻干燥后PPA水凝胶横截面的SEM图像。（f）PAC水凝胶和PPA水凝胶界面的SEM图像。

图 3.（a） PVP、PVA、琼脂、PPA水凝胶、CCB和PAC水凝胶的FTIR光谱。（b） PPA、PAC的动态接触角0.096wt%、PAC0.193wt%和 PAC0.385wt%水 凝 胶。（c） CCB的太阳光吸收光谱。（d） 纯水蒸发系统的表面温度，PPAC0.096wt%、PPAC0.193wt%和 PPAC0.385wt%低于 1 kW m−2照明。

图 4.PPAC蒸发器的太阳蒸气产生性能。（a） 实验室蒸发装置图。（b） 纯水（PPAC）的质量变化0.096wt%、PPAC0.193wt%和 PPAC0.385wt%蒸发蒸气随时间变化。（c） 照度和暗蒸发率。（d） 计算出的汽化当量焓和相应的汽化效率。（e） 纯水（PPAC）的DSC曲线0.096wt%、PPAC0.193wt%和 PPAC0.385wt%在20–200 °C。（f） PPAC的质量变化和（g）蒸发速率0.193wt%在不同的光照强度下。（h） PPAC的稳定性试验0.193wt%10 个周期。（i） PPAC间水蒸发速率与效率的比较0.193wt%和其他蒸发器。

图 5.PPAC的太阳能海水淡化性能0.193wt%.（a）不同盐水的质量变化和（b）蒸发速率。（c）连续9小时耐盐性测试（3.5wt%NaCl溶液）后光热层的表面图像。（d） PPAC蒸发器有效耐盐机理。

图 6.（a） PPAC制备的太阳能废水净化设备数字图像0.193wt%.（b） 3.5 wt% NaCl 溶液和纯化水的耐电性（万用表）。（c）太阳能净化前后含有4-NP和（d）MB的有机废水样品的紫外-可见光吸收和数字图像。

图 7.（a） 室外太阳蒸发系统的照片。（b） 9：00至18：00太阳通量和环境温度的变化。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152302

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