JMCA: 仿生水凝胶用于高效海水淡化

论文信息：

Yang Xiao,Yanqiong Bao,Lang Liu,Wanlin Xu,Da Li,Xiong Zheng,Guangzhao Qin and Qing Li,Bio-inspired thermo-responsive hydrogel purifier for effective water harvesting in seawater, Journal of Materials Chemistry A, (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5TA04916D

研究背景

全球淡水资源短缺日益严峻，传统海水淡化技术能耗高、环境负担重，而太阳能界面蒸发技术因高效环保成为研究热点。热响应（TR）水凝胶凭借其温度依赖的亲疏水转换特性备受关注，但现有系统仍存在热质传递耦合不足和应用局限。受网状地毯鲨吸水膨胀行为的启发，本研究创新性地将PNIPAm/PVA水凝胶与聚酰胺阻盐屏障结合，通过协调吸收-蒸发-吐水循环，实现了高效海水淡化。

研究内容

本文研究设计的TR净化器结构如图1所示，由表面PA膜、内部水凝胶和石墨烯（GE）填料组成。PA膜作为盐离子分离屏障，水凝胶提供热响应特性，GE填料增强光热转换和热传导。系统通过模拟网状地毯鲨的吸水-释水行为，实现了高效的太阳能驱动海水淡化。

图1. 热响应（TR）净化器工作原理示意图

通过材料表征结果显示，如图2所示，定向冷冻干燥制备的水凝胶呈现出间距约400 μm的多层结构，为热量和水分的定向传输提供了理想通道。元素分布图证实了水凝胶中C、H、O、N元素的均匀分布。接触角测试表明，纯PNIPAm水凝胶（NV0）接触角为92.9°，而添加20wt% PVA的NV20水凝胶接触角降至31.8°，40wt% PVA的NV40水凝胶接触角为0°，显著改善了亲水性。在40 °C（高于LCST）时，NV20净化器的接触角增至75.3°，证实了其围绕LCST的亲水-疏水转变能力。

同时分子动力学模拟（图2(g)-(i)所示）揭示了PVA添加对水凝胶溶胀-塌缩机制的影响。PVA的引入虽然减弱了PNIPAm的热敏感性，但通过增加氢键数量（从19.8%增至35.8%）显著提高了水凝胶的溶胀/塌缩速率。这种平衡优化确保了净化器在保持足够吸水能力的同时，仍具备快速释水功能。

图2. 样品的表征；(a) 净化器结构示意图；(b) 常规冷冻干燥和定向冷冻干燥的水凝胶以及石墨烯（GE）的扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) NV20净化器中不同元素的能谱（EDS）图像；(d) NV0（25 ℃）、NV20（25 ℃）、NV40（25 ℃）和 NV20（40 ℃）的水接触角。(e) 聚（N-异丙基丙烯酰胺，PNIPAm）、聚乙烯醇（PVA）和NV20的傅里叶变换红外（FTIR）光谱；(f) 溶胀和收缩状态下净化器的质量比；分子模拟结果：(g) 不同条件下聚合物体系中聚合物的分子分布；(h) 不同聚合物体系的统计分子空间分布密度；(i) 不同体系中氢键（HBs）的平均数量。

机械性能测试（图3(a)-(c)所示）表明，NV20净化器在80%压缩应变下应力达122 kPa，比纯PNIPAm水凝胶（41 kPa）显著提高，且经过50次工作循环后性能几乎无衰减，展现出优异的机械耐久性。这种优异的机械性能保证了净化器在实际应用中的长期稳定性。

然后热导率测试（图3(d)所示）显示，普通水凝胶热导率为0.0375W·m-1·K-1，而定向水凝胶的轴向和径向热导率分别为0.0602和0.0113W·m-1·K-1，表现出明显的各向异性。添加0.1wt% GE后，定向水凝胶轴向热导率提升至0.1673W·m-1·K-1，有效促进了热量从表面向底部的传递。光学性能测试（图3(e)所示）证实，含0.1wt% GE的水凝胶在300-1100 nm太阳光主要波段平均吸收率达95%，具备出色的光热转换能力。差示扫描量热法（DSC）分析（图3(f)所示）显示所有净化器的LCST约为34 °C，接近环境温度，确保在阳光照射下能快速达到工作温度。

图3. (a) 展示了聚（N - 异丙基丙烯酰胺，PNIPAm）和NV20的可逆压缩应力-应变曲线；(b) NV20的柔韧性测试；(c) 净化器经过50个循环后压缩-恢复过程的实物图；(d) 不同石墨烯（GE）含量水凝胶的热导率，以及(e)光吸收曲线；(f) 不同样品的差示扫描量热（DSC）曲线。

通过太阳能产水实验可知，如图 4 所示， NV20-L 净化器在 1 个太阳光强（ 1kW·m-2 ）下，界面温度 3 分钟内即达到 LCST ， 5 分钟后稳定在 40 °C 左右。温度分布图表明，具有垂直微层结构的 NV20-L 净化器比普通 NV20 净化器具有更快的底部温升速率，有效防止了表面热量积累。

产水过程可分为四个阶段（图4(d)所示）：表面快速收缩、热传导过渡期、底部快速收缩和稳定态。质量监测（图4(e)所示）显示，吐水产水量比蒸发量高一个数量级，30分钟内总产水量达1.203 kg。不同光强下的测试表明，产水量随光强增加而提高，在0.5、1.0和1.5个太阳光强下，产水量分别为15.24、29.99和33.75kg·m-2·h-1（图4(f)所示）。连续10天测试显示产水量稳定，无显著衰减，证实了系统的长期工作可靠性。

图4. 太阳能产水实验；(a) 净化器界面温度随辐照时间的变化情况；(b) 展示NV20（右侧）和NV20-L（左侧）净化器的侧面温度分布；(c) 不同光照时间下净化器形态的实物图；(d) 净化器直径随光照时间的变化（注：虚线和实线分别代表蒸发质量变化和总质量变化）；(e) 净化器质量随光照时间的变化；(f) 不同光强下NV20-L净化器的淡水产量计算结果，以及10天耐久性测试情况。

本文又进行了脱盐性能评估，如图5所示，制备的PA膜呈现完整致密的层状结构，厚度150 nm，能有效阻挡盐离子渗透。NV20-LM净化器对0.3 wt%盐水中NaCl、KCl、MgCl2和CaCl2的截留率分别为76.3%、81.9%、89.5%和91.2%，即使盐度增至3.0 wt%，截留率仍保持在73.4%以上。50次循环后截留率衰减小于2.0%，SEM观察显示PA膜仍保持完整结构。

其次也进行了户外净水测试（图5(g)-(i)所示），使用12×10×1cm3净化器在湘江水面进行。处理后的水电阻率达0.84 MΩ，接近自来水水平（0.70 MΩ），显微镜观察证实去除了原水中的微生物和污染物。这些结果证明了该系统在实际自然环境中的优异净化能力。

图5. 脱盐及废水处理测试；(a) 聚酰胺（PA）膜的实物图及柔韧性测试；(b) 制备的附着于基底材料的PA膜的扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) 覆盖PA膜的净化器在溶胀和收缩状态下的实物图；(d) 盐溶液和NV20 - L净化器的渗透压；(e) 不同压力下PA膜的水通量；(f) 新制备的NV20 - L净化器及经过50个循环后，在不同浓度下的脱盐率；(g) 净化器吸收湘江河水的产水过程及河水的显微图像；(h) 吐水过程及处理后水的显微图像；(i) 不同水的电阻对比。

结论与展望

综上所述，本研究受网状地毯鲨启发，开发了基于 PNIPAm/PVA 复合水凝胶的 TR 净化系统，通过各向异性微层结构和 GE 填料优化热管理，结合 PA 膜与高渗透压水凝胶（ 12.1 atm ）的协同作用，实现了 29.99 kg·m-2·h-1 的创纪录产水速率和高效脱盐性能。尽管在长期稳定性、结构适配性和透光率切换速度方面仍有改进空间，但该研究为太阳能海水淡化和智能水凝胶系统的多相传输优化提供了新思路，未来可通过开发新型复合材料、简化安装工艺及拓展应用场景进一步提升性能。