界面蒸發(fā)太陽能海水淡化對(duì)于緩解全球淡水危機(jī)來說是一種很有前景的低成本方式。近年來，因其能有效降低水的蒸發(fā)焓而顯著提高水的蒸發(fā)效率，水凝膠逐漸成為一種廣受歡迎的太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)器的制作材料。但是對(duì)于蒸發(fā)器來說，在追求高效的蒸發(fā)表現(xiàn)的同時(shí)，材料的可持續(xù)發(fā)展性也備受關(guān)注，尤其考慮到蒸發(fā)器在工作狀態(tài)中的生物適應(yīng)性，可持續(xù)性，無毒性和在報(bào)廢狀態(tài)下的生物可降解性。
對(duì)此，鄭義教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合National Renewable Energy Laboratory (Dr. Shuang Cui) ，Marine Biological Laboratory (Prof. Joseph A. DeGiorgis) 和Providence College (Prof. Yinsheng Wan) 制作了完全基于殼聚糖 (CS) 和墨魚汁粉末 (CI) 的多孔結(jié)構(gòu)的水凝膠可作為高效穩(wěn)定的具有排鹽能力的太陽能蒸發(fā)器。在一個(gè)太陽照射下，蒸發(fā)速率高達(dá)4.1 kg m-2 h-1 (圖1) 。
圖1. 完全基于海洋生物提取物的CI/CS太陽能蒸發(fā)器的示意圖。
圖2. CI/CS水凝膠的制備流程圖。
該太陽能界面蒸發(fā)器是以基于殼聚糖的水凝膠為主體進(jìn)行海水的輸送和熱量的積聚，混合以黑色的墨魚汁粉末作為光熱材料進(jìn)行太陽輻射的吸收并將之轉(zhuǎn)化為熱能，最后采用凍干的方式使其產(chǎn)生三維的內(nèi)部相互交通的多孔性結(jié)構(gòu) (圖2)。殼聚糖是一種多糖材料，來自于甲殼素的 N-脫乙酰化，是自然界中存在豐富的氨基多糖，主要是從甲殼類動(dòng)物 (如螃蟹和蝦) 提取而來。墨魚汁中含有天然的黑色素顆粒，使得它具有很高的寬帶太陽光譜吸收率，從而躋身于光熱材料庫中的一員。這些主要提取自海洋生物的制作材料，使得蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了取自于海洋，且用于海洋。
圖3. (a) CI/CS 水凝膠的太陽輻射吸收比。(b) 不同入射光角度下CI/CS 水凝膠的太陽輻射吸收比。(c) 動(dòng)態(tài)水接觸角測(cè)量。(d) 不同濃度的CI/CS水凝膠的水吸收比。(e) 不同濃度的CI/CS水凝膠在干的狀態(tài)和濕的狀態(tài)下的熱導(dǎo)率。(f) 2 wt% 的CI/CS水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
由于黑色素本身對(duì)太陽光有著高吸收率，且CI/CS 水凝膠外表面的多孔結(jié)構(gòu)也有助于光的捕捉，即使針對(duì)不同角度的入射光照，該水凝膠也展現(xiàn)了統(tǒng)一的高吸收率，是一個(gè)很理想的光吸收器 (圖3a, b)。此外，由于本身材料的親水性和整體結(jié)構(gòu)的多孔性，CI/CS蒸發(fā)器也具有很好的吸水能力，從而保證了能持續(xù)地給蒸發(fā)表面供水進(jìn)行水的蒸發(fā) (圖3c-e)。
圖4. (a) 室內(nèi)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b) 不同供水方式裝置示意圖。以 (c) 棉布和(d)直接接觸作為供水方式的蒸發(fā)器在工作過程中的紅外熱像圖。(e) 不同供水方式的蒸發(fā)器在工作過程中水凝膠中心溫度隨時(shí)間變化曲線。(f) 在一個(gè)太陽照射下，水的質(zhì)量隨著時(shí)間的變化。(g) 不同濃度的蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率的比較。(h) CI/CS水凝膠中水的拉曼光譜和譜帶擬合。(i) 基于生物材料的不同的太陽能界面蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率的比較。
在室內(nèi)的太陽驅(qū)動(dòng)下的水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，他們對(duì)比了兩種對(duì)CI/CS水凝膠的供水方式，一種是采用無紡織棉布作為傳輸水的通道，另一種是將水凝膠直接接觸水溶液 (圖4a, b)。在一個(gè)太陽照射下，采用棉布作為供水方式的蒸發(fā)裝置具有更高的表面穩(wěn)定溫度 (48℃) 和蒸發(fā)速率 (4.1 kg m-2 h-1) (圖4c-f)。CI/CS水凝膠蒸發(fā)器具有超出理論值的蒸發(fā)速率，得益于它能降低存在于水凝膠中的水的蒸發(fā)焓值。通過對(duì)其進(jìn)行拉曼光譜分析可得，在CI/CS水凝膠中，中間水與游離水的比值為1.31.
圖5. (a) 在一個(gè)太陽照射下，不同鹽濃度溶液的質(zhì)量隨時(shí)間的變化。(b) CI/CS水凝膠鹽積聚實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(c) 鹽顆粒積累在CI/CS水凝膠表面照片。(d) CI/CS水凝膠排鹽原理示意圖。(e) 鹽隨時(shí)間溶解反滲過程。CI/CS水凝膠對(duì)外加鹽顆粒反滲能力測(cè)試 (f) 實(shí)驗(yàn)裝置和 (g) 隨時(shí)間變化過程。 (h, i) CI/CS水凝膠在長時(shí)間光照條件下的蒸發(fā)穩(wěn)定性測(cè)試。(i) 不同光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率測(cè)試。(k) 太陽能鹽水淡化前后鹽度比較。
在正常一個(gè)太陽照射下的工作條件下，CI/CS蒸發(fā)器能在不同鹽濃度的溶液中穩(wěn)定高效的工作，且不會(huì)有鹽顆粒的積累 (圖5a)。為了展示它的良好的排鹽性能，他們采用高倍聚光比照射水凝膠且供以20 wt% 鹽濃度的水溶液，加速蒸發(fā)表面鹽顆粒的形成和聚集 (圖5b,c)。當(dāng)把蒸發(fā)器重新放置在3.5 wt% 鹽濃度的水溶液上時(shí)，由于離子濃度差和強(qiáng)大的供水能力，所積聚的鹽顆粒會(huì)在短時(shí)間內(nèi)溶解并反滲回底部溶液中，從而實(shí)現(xiàn)鹽的自清潔過程 (圖5d, e)。即使對(duì)于大量的外加的鹽，CI/CS蒸發(fā)器也同樣表現(xiàn)出了良好的自清潔能力 (圖5f,g)。在長時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試中，該蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率能夠穩(wěn)定在4.1 kg m-2 h-1左右，且所蒸發(fā)的水的質(zhì)量符合規(guī)定飲用水標(biāo)準(zhǔn) (圖5h-k)。
相關(guān)論文以題為Seawater desalination derived entirely from ocean biomass 發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》，同時(shí)并被選為封底圖片。通訊作者是美國東北大學(xué)鄭義教授。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA05068K
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