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中國海洋大學徐曉峰教授課題組 ACS AMI:可控制備海洋生物質復合材料氣凝膠微球-實現界面光熱、離子吸附和土壤改良多功能應用
2022-11-04  來源:高分子科技

  近年來,基于“可再生能源”的高效、安全可靠、低碳環保和可持續的水凈化新技術對解決日益嚴重的飲用水危機具有重要的意義,得到了科學界和產業界的極大關注和重視。太陽能因具有分布廣泛、可持續和無污染等優點是真正意義上的綠色能源。將太陽能轉換技術(光伏和光熱技術)與水凈化技術結合是解決飲用水資源短缺很有前景的方法,在太陽輻照豐富、能源短缺、經濟欠發達的地區很有應用潛力,已成為水凈化領域的研究熱點之一。太陽能界面光熱轉換與水蒸發已成為一種新型、可持續和無污染的清潔水生產技術。目前,針對一體式三維界面蒸發器的快速、大量和形狀可控制備與多功能集成應用仍存在諸多挑戰。


1 本研究開發的基于海洋生物質復合材料的氣凝膠球的結構、性質和功能簡介


  近期,中國海洋大學材料科學與工程學院徐曉峰教授課題組基于天然高分子復合材料可控制備了一種氣凝膠光熱微球,該微球由改性纖維素質子化的殼聚糖納米碳粉共混組成(1基于復合海洋多糖開發的光熱氣凝膠微球首次實現了太陽能界面水蒸發、水體中富營養鹽吸附和營養元素緩釋等方面的應用。具體的優點可以總結為:(1)可連續制備形狀可控的凝膠球:季銨鹽改性的微晶纖維素與質子化殼聚糖結合形成具有pH響應的復合凝膠,能夠在堿性條件下實現快速凝膠化;(2高效的太陽能界面蒸發:復合氣凝膠微球與3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三維界面蒸發器能夠協同管理浮力、水的擴散、熱分布和熱損失,在1太陽下,水的蒸發速率達1.62 kg m-2 h-1;(3高效吸附水體中的磷元素:引入改性形成的陽離子纖維素使復合微在較寬的pH2.512.4)和較大范圍磷酸鹽離子濃度(2001000 mg/L)內能獲得超過120 mg g-1陰離子吸附量;(4生物降解、營養物向土壤的緩釋和種植測試:含磷復合微可通過土壤中的微生物逐步降解,主要養分NPK可在50天內均勻緩慢釋放到生長培養基中,提供植物生長所需的基本營養成分該研究成果包括協同水凈化、廢物處理和增值轉化的三重功能,實現了蒸發-吸附-種植”一體化,為太陽能界面蒸發的光熱氣凝膠微的制備和應用供了新的前景。該工作以Photothermal Aerogel Beads Based on Polysaccharides: Controlled Fabrication and Hybrid Applications in Solar-Powered Interfacial Evaporation, Water Remediation and Soil Enrichment”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。


2 蒸發體的蒸發性能測試


  復合氣凝膠微球與3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三維界面蒸發器SG2)能夠在1個太陽光下的蒸發速率為1.62 kg m-2 h-1,顯著高于純水和直接接觸水面的氣凝膠球(SG1)的水體蒸發速率(0.76 kg m-2 h-1),并且能夠進行長期穩定的蒸發。此外,在各種環境(不同pH和鹽度)中該蒸發器件也能實現高效穩定蒸發。



3 復合氣凝膠微球的吸附性能測試


  復合氣凝膠微球能夠對模擬的富營養化水體中的磷酸鹽進行有效吸附。由于改性纖維素的引入,使該微球擁有更多的化學和物理吸附位點,能夠在各種實際環境(較寬pH范圍以及各種溫度)下保持高效穩定的磷元素吸附,改善了以往報道的工作中只能在酸性和中性條件下高效磷元素吸附的缺陷。此外,吸附動力學和等溫線曲線更擬合于準一階動力學模型和Langmuir方程,說明該吸附過程以化學吸附為主。


4 吸附后氣凝膠微球的降解與種植測試


  在潮濕的土壤中,飽和吸附后的復合氣凝膠微球可以在7天內發生明顯的降解,在50天內緩釋NPK元素。種植結果發現,使用吸附磷酸鹽后的氣凝膠微球作為緩釋肥料種植的三葉草的長勢最好,明顯優于空白實驗和水溶性肥料的種植效果,說明營養物緩釋對于植物生長的促進作用。


  在過去的兩年中,課題組圍繞界面光熱轉換材料和器件開展了一系列研究:通過可控發泡技術制備低成本和大面積復合泡沫材料用于太陽能界面蒸發和清潔水的生產(Chemical Engineering Journal 2022, 431, 134144; Solar RRL 2022, 8, 2200241; Journal of Materials Chemistry A 2021, 9, 9692.);制備具有自修復和耐損傷的水凝膠用于高效太陽能水凈化和海水淡化(Advanced Functional Materials 2021, 31, 2104464),設計全纖維素一體式太陽能界面蒸發器用于海水淡化和自供電波浪檢測(Advanced Functional Materials 2021, 31, 2008681);“不倒翁”抗傾覆太陽能界面蒸發器設計(Journal of Materials Chemistry A 2020, 8, 24664; Advanced Sustainable Systems, 2022, 6, 2200256);利用海洋生物質復合材料實現高效持久的太陽能驅動界面蒸發、海水淡化和大氣水收集(Chemical Engineering Journal, 2021, 417, 128051; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 18170; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 8556);基于界面光熱轉換的水電聯產器件設計(Journal of Materials Chemistry A 2022, 9, 21197)。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c16634

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(責任編輯:xu)
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