《先進材料》德克薩斯大學餘桂華團隊開發便宜好用水凝膠蒸發器...

清潔水循環利用是備受關注的世界問題。一直以來，人們呼籲將海水或廢水淨化，以減少能源消耗並降低對水環境的負面影響。太陽能的可持續性和環境友好性使太陽能蒸餾技術備受關注。經濟適用及高質量的太陽能淨水系統還需突破，以實現有效的能量收集，轉化以及高淨水率。為了克服太陽光散射而減少所提供的動力，各種吸光材料被開發，如通過調節納米材料的尺寸和形態來收集整個太陽光。2月，德克薩斯大學奧斯汀分校餘桂華教授團隊在《Advanced Materials》期刊發表了題為」Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification」的論文，文中，作者報導了一種經濟節約、高水分蒸發率、可有效去除重金屬離子和有機色素的水凝膠蒸發器。

1、如何製造水凝膠蒸發器（HHE）

具體而言，作者將可再生生物質葡甘露聚糖（KGM）與太陽能吸收劑（鐵基金屬有機骨架（Fe-MOF））引入PVA網絡，從而形成了低成本的混合水凝膠蒸發器（HHE）（圖1）。由於出色的隔熱性能，KGM不僅有助於促進大孔/中孔結構的水傳輸，還為水凝膠提供了更多的水合能力，從而降低蒸發焓。另外，通過磁體輔助製造，可控制磁性太陽能吸收器的空間分布，以改善蒸發表面的熱定位，並將太陽能吸收器的使用量減少到目前水凝膠蒸發器的三分之一。 HHE成本低，每平方米僅為$14.9，每小時就可提供高達3.2kg的高水分蒸發率。KGM含過量羥基，HHE通過形成氫鍵和螯合鍵有效去除重金屬離子和有機色素，在數量和質量上都非常滿足社區對純淨水水的需求。

圖1.HHE淨化太陽能水的示意圖。a）MOF吸收器位於水凝膠蒸發器的頂面，以將太陽能轉換成熱能並就地產生蒸氣。b）HHE通過一步吸附法可去除重金屬離子和有機色素。

2、凝膠蒸發器（HHE）的基礎表徵

HHE是通過PVA和KGM與碳化的Fe-MOF納米粒子作為太陽能添加劑的凝膠化合成的（圖2a）。使用磁鐵將吸收劑顆粒吸到蒸發器的一側，減少HHE實現高太陽吸收所需的顆粒量（圖2b）。垂直管狀互連通道（圖2c）有助於通過毛細作用力進行水傳輸。FTIR光譜用於分析HHE的化學成分（圖2e），在KGM（綠色曲線）光譜中，位於2876、1722和1642cm-1的紅外吸收峰分別是甲基的C-H鍵，羰基的C-O鍵和羥基的C-O鍵。KGM的特徵吸收帶出現在873和800cm-1處。PVA的特徵峰（藍色曲線）在1096cm-1，表明C = O拉伸。粉色曲線代表HHE光譜，OH基團在3420cm-1表明在PVA中-OH（3390cm-1）和KGM（33445cm-1）之間形成了氫鍵（圖2e中的插圖）。HHE包含KGM和PVA的特徵峰的組合，證實了雜化聚合物網絡。HHE和對照樣品（含吸收劑的純PVA水凝膠）均具有更高的儲能模量（G'）值，表明水凝膠的交聯聚合物骨架（圖2f）。通過引入KGM組分，HHE的G'和G''高於對照組水凝膠，雜化水凝膠的更強的機械強度，太陽能吸收劑被滲透到混合聚合物網絡中。

圖2.混合水凝膠蒸發器（HHE）的製備和表徵。a）製造輔助磁體。b）HHE樣品照片。c）-d）SEM圖像。e）純PVA（藍色），純KGM（綠色）和HHE（粉紅色）的FTIR光譜。f）PVA /吸收劑水凝膠和HHE的儲能（G ）和損耗模量（G ）。

3、凝膠蒸發器（HHE）的吸水量及傳輸速率的研究

水凝膠材料作為太陽能蒸發器的優勢是其可調的水含量和傳輸速率，可從蒸發器的底部到表面提供充足的水。通過增加KGM/PVA比值（HHE1，HHE2和HHE3分別為KGM/PVA重量比為0：10、0.05：10和0.16：10），可以減少HHE從半飽和狀態達到完全膨脹狀態所需的時間（圖3a）。因此，通過增加KGM/PVA比值，可以將HHE的水傳輸速率（飽和水含量除以半溶脹時間）從0.08調整為0.19g/min。除了可調水傳輸外，HHE具有先進的熱定位效果。HHE低熱導率對於最大程度地減少對水熱量散失。由於含水量增加引起聚合物鏈的拉伸，所有三種完全溶脹的HHE的熱導率均高於其半溶脹狀態（圖3b）。通過增加雜化水凝膠中KGM的比例，HHE的熱導率可以在半膨脹狀態下從0.52W/mK調節到0.10W/mK，在完全膨脹狀態下可以將1.08W/mK調節到0.25W/mK。在產生太陽蒸氣的過程中，導熱係數最低的HHE3可以阻止熱量擴散到水中（圖3b）。在UV-vis-NIR光譜（圖3c），HHE在400至2500nm的寬波長範圍內均具有出色的太陽吸收特性（≈98％）。HHE的光熱行為被研究（圖3d）。所有HHE在開始的5分鐘內都會出現表面溫度升高，並在20分鐘後最終達到平衡溫度（31°C）。由於蒸發誘導的冷卻效果，HHE3在30.3°C時顯示出較低的穩態表面溫度。在一次陽光照射下，HHE3的連續紅外圖像證實平衡溫度分布和熱定位效果（圖3e）。COMSOL模擬控制模型（具有均勻分布的吸收劑的純PVA水凝膠）和HHE3的溫度分布（圖3f）表明在水凝膠蒸發器頂部引入KGM和吸收劑後明顯的熱局部化效果。

圖3.HHE的水輸送和熱管理。a）從半飽和狀態到完全飽和狀態所需時間和HHE的水傳輸速率。b）在半膨脹和完全膨脹狀態下測得的HEE的熱導率。c）UV-vis-NIR光譜。d）在一次陽光照射下，水凝膠蒸發器表面和水的溫度。e）紅外圖像顯示溫度分布。f）COMSOL模擬控制模型（具有均勻分布的吸收劑的純PVA水凝膠）和HHE3的溫度分布。

4、凝膠蒸發器（HHE）的海水及廢水淨化性能

接下來，在鹽度為0至420（g/kg）的海水和pH0至14的廢水中評估HHE3的脫鹽性能（圖4a）。在室溫下海水的鹽度達到350（g/kg）以上才對蒸發速率起作用。在pH2至14的pH值範圍內（通常涵蓋所有家庭和工業廢水條件），HHE可發揮作用。pH低於2可能導致KGM降解，從而降低HHE的總體蒸發速率。ICP-MS結果顯示（圖4b），墨西哥灣的海水樣品中四種離子（Na+，Mg2+，K+和Ca2+）的濃度顯著降低了3-4個數量級，該濃度遠遠低於WHO的飲用水標準。此外，水凝膠本身具有抗鹽垢能力。在HHE中，加到HHE表面上的鹽晶體（NaCl）在30分鐘內可被自動清除（圖4c）。HHEs可吸附水中的金屬離子和有機染料。圖5d表明HHE3在水樣中漂浮2小時後，水中金屬離子（Cd2+，Cr3+，Cr6+，Cu2+，Ni2+，Ag+，Zn2+，Pb2+，Se2+，As5+，Hg2+）濃度降低了4-7個數量級。由於KGM的-OH基團能夠與有機染料的叔胺基團的氮原子和磺酸基團的氧原子形成氫鍵，水樣品中的甲基藍的顏色逐漸消失（圖4e）。另外，HHE有高吸附能力，Fe-MOF納米顆粒具有負表面電荷，高表面積及較寬的孔徑分布。比較圖4d，f的ICP結果，在水蒸發過程中，重金屬離子的濃度進一步降低了2-3個數量級。因此，在一步吸附和太陽蒸餾同時進行後，重金屬離子的總濃度降低了六到九個數量級（圖4f）。由於吸附作用，Hg2+的濃度降低了七個數量級。HHE上純化還能將有害細菌（大腸桿菌和大腸菌）降低到Test Assured（美國）提供的飲用水標準以下（圖4g）。

圖4.HHE的水淨化性能。a）在不同鹽度和pH範圍內評估蒸發性能。b）在海水樣品中的脫鹽性能。c）在鹽晶體中，HHE的防鹽垢性。d）HHEs在水中吸附重金屬離子。e）HHEs去除水溶性有機染料。f）太陽能蒸餾後，HHE3去除總重金屬能力。g）使用HHE3在太陽能蒸餾後，對樣品水中細菌含量的測試。

總而言之，HHE即使在高鹽度鹽水和廢水處理下，也能以每小時每平方米蒸發3.2kg水的速率實現90％的太陽蒸發效率。在成本效益方面也優於大多數報導的太陽能蒸發器。廉價的生物質KGM增強了水凝膠用於水活化的水合能力，並能有效去除汙染物。HHE的強大淨化性能諸如海水淡化，海鹽生產，廢水處理和金屬提取等各種實際應用中具有巨大的潛力。

餘桂華研究小組專注於低維納米材料和納米結構的創造性合成，這些新型合成材料的化學和物理性質的基礎研究，以及這些合理設計的納米材料的進一步實施，以應對與能源相關的各種領域的關鍵科學和技術挑戰，從包括電池，超級電容器的儲能系統到熱電和燃料電池等能量轉換系統。餘教授研究計劃的最終目標是通過了解和控制電子，熱，電化學和界面特性，開發下一代高性能，基於納米材料的可再生能源設備。

來源：高分子材料科學

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