Desalination | 用于高效界面太阳能蒸发的细菌纤维素基多孔Janus气凝胶

研究背景

由于环境和气候变化、城市化进程加快以及水资源管理不善，当前的水资源短缺非常严重。研究人员们一直致力于改进从自然界中提取水的过程，目前太阳能在水处理技术中的应用已成为解决淡水稀缺问题的低成本策略。

界面太阳能蒸汽发生（ISSG）被认为是解决水资源短缺问题的一种绿色且低成本的技术。目前仍需追求快速的蒸发速度、高质量的淡水生产以及优异的机械性能。ISSG技术在太阳能蒸发领域具有巨大的应用潜力。但是，ISSG流程存在一个不容忽视的问题。随着蒸发过程的继续，盐晶体和各种污染物在蒸发界面上积聚，降低了蒸发效率。传统的抑制盐沉积方法是在停止蒸发反应后对蒸发器进行处理。这通常涉及清洁或冲洗蒸发器。然而，这种方法大大增加了处置成本。目前研究试验发现，具有Janus结构的蒸发器能够在界面太阳蒸发过程中实现有效的耐盐抗污性，并且Janus结构对热量积聚的影响是蒸发速率增加的主要原因。同时，Janus结构的设计也有助于提高传热效率，由于其双面性质，Janus结构可以更有效地将吸收的热量传导到水面，并帮助水分子快速蒸发。

在此，北京化工大学苏志强教授的课题组团队成功制备了一种细菌纤维素基多孔复合Janus气凝胶。室外蒸发实验和可持续性分析的结果表明，这种具有Janus结构的低成本材料具有巨大的实际应用潜力。

相关成果以“Bacterial cellulose-based porous Janus aerogels for efficient interfacial solar steam generation” 为题发表在国际学术期刊《Desalination》上

研究结论

本研究首先制备了细菌纤维素（BC）/炭黑（CB）/琼脂粉复合材料（命名为JBCA）的多孔复合物并将其作为亲水基底，然后通过在其上表面喷涂一层疏水性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）来构建Janus结构。并且利用简单的冻干技术结合PDMS的单侧疏水改性，制备了具有亲水性和疏水结构的Janus气凝胶。经一系列的实验结果表明，在 1000 W m−2 太阳辐射下所得到的JBCA蒸发器的蒸发速率为 1.83 kg m−2h−1 。同时，在高盐度（20 wt%）溶液中仍可达到较高的蒸发速率（1.63 kg m−2h−1）。更重要的是，经过实验测试发现此JBCA蒸发器对海水中存在的几种主要离子的去除率超过99%。

经分析，该JBCA蒸发器的预计总成本估计约为20.45 美元 m−2，与大多数现有太阳能蒸发器相比，具有更高的成本效益，并且保证了较高的蒸发速率。室外蒸发实验和可持续性分析结果表明，这种具有Janus结构的低成本材料有着巨大的实际应用潜力。

研究数据

图 1.基于JBCA气凝胶的太阳能蒸发器制备工艺示意图。

图 2.气凝胶光热特性的表征。（a） 气凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱。（b）在 1000 W m−2 太阳辐射下，气凝胶上表面的温度变化曲线。（c）不同亲水层厚度在蒸发器中蒸发15分钟的红外图像。（d） 在 1000 W m−2 太阳辐射下，不同亲水层厚度蒸发器的蒸发速率。（e） 在1000 W m−2太阳辐射下，不同疏水层厚度蒸发器的蒸发速率。

图 3.气凝胶在纯水中的蒸发特性。（a） 自制界面太阳能驱动的水蒸发试验装置。（b） 在 1000 W m−2 太阳辐射下的10次蒸发循环。（c） 在 1000 W m−2 太阳辐射下的质量与时间曲线。（d） 明暗条件下的质量与时间曲线。（e） 黑暗和光照条件下的蒸发速率。（f） 将JBCA气凝胶的蒸发速率与其他生物质衍生材料蒸发器进行比较。

图 4.气凝胶在不同NaCl溶液条件下的纯化水效应。（a） JBCA蒸发器耐盐机理。（b） 不同浓度NaCl溶液中气凝胶的蒸发速率。（c） 不同浓度NaCl溶液中JBCA气凝胶的质量与时间曲线。（d）气凝胶在 3.5wt% NaCl 溶液中连续光热蒸发10小时的蒸发速率。（e）气凝胶在 3.5wt% NaCl溶液中连续光热蒸发10小时的质量变化。

图 5.气凝胶的净化作用。（a） 实际海水淡化前后四种主要离子的浓度。（b） JBCA气凝胶在真实海水中的离子排斥率。（c,d）在 1000 W m-2 太阳辐射下通过JBCA气凝胶纯化染料分子。

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117506

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