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清華大學危巖教授、李若馨博士 AFM：具有快速自清潔能力、耐鹽性和高蒸發效率的整體式親水聚合物泡沫用于海水淡化
2024-08-27  來源：高分子科技

  太陽能界面海水淡化技術作為綠色、經濟的淡水生產方法，具有巨大的發展潛力。然而在連續式的海水淡化過程中，蒸發器的表面會出現鹽沉積的問題，減小了光熱活性表面積并堵塞水蒸氣的輸送，導致蒸發速率的急劇下降，降低了蒸發器的使用壽命，從而限制該技術的發展。目前，如何實現界面蒸發器長期穩定抗鹽性能且不犧牲蒸發性能是一個亟待解決的技術難題。


  日前，清華大學危巖教授、李若馨博士與其合作者報道了一種高水通量（~14.4 L m-2 h-1）的單組分整體式蒸發器，能在聚合物表面形成穩定的水膜，該蒸發器通過內部鹽濃度差和外部馬蘭戈尼效應驅動的離子對流的協同作用下，實現了卓越的耐鹽性和表面自清潔能力。相關論文以題為Hydrophilic Polymer Foam as a Monolithic Interfacial Solar Evaporator With Rapid Self-Cleaning, High Evaporation Efficiency, and Salt Resistance發表在《Advanced Functional Materials》上。


  研究團隊采用鹽模板法，以苯胺三聚體為光熱組分，制備了整體式聚合物泡沫蒸發器。通過SEM表征手段，證實了具有多孔結構的蒸發器的成功制備。該蒸發器表現出了穩定的類水凝膠的溶脹-收縮行為，在溶脹狀態下能有效擴大光熱活性面積。


圖1 多孔聚合物泡沫蒸發器的結構表征與溶脹行為


  此蒸發器具有高效和寬帶的光學吸收能力，在整個太陽光譜范圍內（從250到2500 nm）的平均吸收率為98.8%。在1個太陽光強輻照下，該蒸發器在15 s內迅速升溫至46.0 ℃，在6 min后升溫至73.1 ℃并保持穩定。通過基于水凝膠的結構設計策略，該蒸發器具有水通量為14.4 L m-2 h-1，最大含水量為2.86 g g-1。通過接觸角表征證明了該蒸發器的親水性與快速的水傳輸能力。得益于優秀的光熱和水管理能力，該蒸發器在1個太陽光強下實現了3.47 kg m-2 h-1的高蒸發速率和94.3%的高蒸發效率，超越了多數之前報道過的整體式蒸發器。該蒸發器具有長期穩定性，在400個循環測試后，蒸發速率基本保持不變。在不同溶液的蒸發測試中，該蒸發器的蒸發速率為2.92-3.23 kg m-2 h-1，蒸發效率為79.3-87.7%，這表面該蒸發器有潛力應用于生活和工業廢水的高效處理。


圖2 多孔聚合物泡沫蒸發器的光熱與水管理能力


圖3 多孔聚合物泡沫蒸發器的蒸發性能


  該蒸發器通過內部鹽循環和外部基于馬蘭戈尼效應驅動的對流運動的協同作用，實現了卓越的耐鹽性和表面自清潔能力。將33%質量分數的氯化鈉顆粒置于蒸發器表面，在模擬海水中（3.5%鹽度）與1個太陽光強的照射下，蒸發器表面的氯化鈉顆粒在1.25 h后完全去除。在25%質量分數的近飽和鹽水中，與黑色PE泡沫作對比，在連續12h的1個太陽光強的照射下，無論是鹽水表面和PE泡沫表面均出現了鹽沉積，而在該蒸發器表面沒有觀察到任何鹽沉積。通過照片拍攝證實了該蒸發器能在表面形成一層水膜，水膜的厚度約為 200 μm。在實際脫鹽過程中，蒸發器表面的鹽度會繼續增加，超過水體的鹽度，從而形成表面張力梯度，這種表面張力梯度可引起馬蘭戈尼對流，輸送蒸發器表面的鹽分至水體，從而防止鹽分結晶。


圖4 多孔聚合物泡沫蒸發器的耐鹽性與自清潔能力


  海水淡化過程實際是水分子從液態轉變為氣態的相變過程，該過程所需能量即為蒸發焓。在相變過程中，水分子與周圍水分子發生氫鍵斷裂，因此降低氫鍵斷裂所需的能量，能促進水分子的蒸發。該蒸發器網絡具有豐富的含氧官能團，可以與水分子形成弱氫鍵作用，促進中間水的形成。DSC測試中的尖銳吸熱峰證實了中間水的存在，且其蒸發焓相比純水大幅降低，促進了水的蒸發。


圖5. 多孔聚合物泡沫蒸發器中的水。


  該研究團隊開發出了一種高效耐鹽的聚合物泡沫蒸發器，它具有高光學吸收率、出色的光熱轉換效率。該蒸發器是一種單層、多孔、親水的整體蒸發器，具有高效水傳輸能力和高效的蒸發性能，在1個太陽光強下實現了3.47 kg m-2 h-1的高蒸發速率和94.3%的高蒸發效率。通過設計具有親水性成分的三維網絡結構，可以調整蒸發器中水的結合狀態，從而將蒸發焓大大降低到 978 J g-1。多孔結構和親水成分也促進了水在蒸發器表面和水體之間的對流，為蒸汽產生提供了高效穩定的水供應（14.4 L m-2 h-1），同時避免了鹽在表面結晶。該蒸發器在高濃度鹽水（25%）中展現了卓越的抗鹽能力。以上證實了該蒸發器具有生產純水以緩解水資源短缺的潛力。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410729

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（責任編輯：xu）
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