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《Angew》：盐响应型太阳能水蒸发器，高效收集淡水！

2022-08-02 16:41:30 0 416

一、研究背景

全球人口增长、快速工业化、气候变化和严重的环境污染加剧了清洁水的短缺，导致30亿人面临严重的水危机面对这些挑战，迫切需要开发高效、低成本的海水淡化和水净化技术，降低能源消耗和优良的清洁水生产力其中，界面太阳能水蒸汽生成(SVG)利用蒸发面附近的光热材料对热量进行局部化，以促进低杂质水平蒸汽的产生。SVG具有蒸发速率高、自然光下能量转换效率高(≤1 kW m^-2)、安装简单等优点，受到广泛关注。理想的界面SVG材料提供高光热转换和最佳的热管理，以实现高速率的连续产水因此，人们在开发界面SVG材料方面做出了很大的努力，如膜、多孔气凝胶和泡沫、三维(3D)木支架、和水凝胶复合材料最近，水凝胶太阳能蒸发器的发展，以实现显著提高蒸发率通过亲水性官能团修饰水与水合聚合物网络之间的相互作用，实现了SVG的高效率这些成果是通过战略性的结构设计以及聚合物水凝胶基蒸发器的多种功能实现的然而，离子在高盐度盐水(≥10 wt%)中的强水化作用提高了蒸发水分所需的能量，降低了SVG的性能，限制了在高盐度盐水中长期使用的能源效率此外，与以往高盐度盐水中SVG复杂的结构设计相比，它仍然缺乏适用于高盐度盐水的水凝胶蒸发器的基本设计因此，如何设计用于浓缩盐水的水凝胶蒸发器，而不影响SVG的性能，甚至可能提高SVG的性能，仍然是一个挑战。

二、研究成果

界面太阳能水蒸发(SVG)被认为是一种有前景的、可持续的清洁水生产策略。虽然许多材料在一个太阳光强度下表现出优秀的水蒸发率，但在不影响SVG性能的高盐度盐水(≥10% wt%)中设计太阳能水蒸发器仍然是一个挑战。近日，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授课题组提出了一种新型的高盐度太阳能海水淡化平台——聚两性离子水凝胶(PZHs)。利用独特的抗聚电解质效应，PZHs可以从盐水中捕获盐离子，形成更水化的聚合物网络，从而提高SVG的性能。PZHs在10 wt%盐水中表现出4.14 kg m^-2 h^-1的水蒸发速率，比纯水高出约20%。预计，盐响应型PZHs可能为下一代太阳能脱盐系统的设计提供见解。相关研究工作以“Polyzwitterionic Hydrogels for Highly Efficient High Salinity Solar Desalination”为题发表在国际顶级期刊《Angew》上。

三、图文速递

图1. 基于PZH的太阳能海水淡化原理图

图2. PZH的制备与表征

在这里，作者报道了一类聚两性离子水凝胶(PZHs)，在高盐度盐水中具有更强的SVG性能，用于高效的太阳能脱盐(图1)。PZHs沿着聚合物链具有相反带电的阳离子和阴离子官能团离子在卤水屏上静电相互吸引，使聚合物链上的相反电荷相互吸引，导致链膨胀和更大的吸水，这就是所谓的抗聚电解质效应。因此，形成了具有更多中间水的水合聚合物网络，以增强水的蒸发。

与此同时，它形成了分层结构，使更快的水输运。PZHs蒸发器在10% wt%盐水中表现出良好的SVG率，4.14 kg m^-2 h^-1，比纯水高约20%。此外,可以高效应用于海水脱盐和污染物去除得到纯水。

图3. 太阳能水蒸发性能

图4. PZHs太阳蒸汽产生性能提高的机理

图5. PZHs太阳能脱盐和水净化性能研究

PZH-1的太阳能脱盐性能在墨西哥湾的真实海水水样中进行了评估。采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MP)可以测定蒸馏水的质量。四种主要离子(Na⁺， Mg²⁺，K⁺，Ca²⁺，B³⁺)的浓度显著降低了2到4个级次(图5a)，这符合世界卫生组织的饮用水标准，表明其在太阳能驱动的除盐方面的潜力。此外，PZH-1对含重金属离子(Cu²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Cr⁶⁺)的废水也具有良好的净水效果。净化后重金属离子浓度大幅下降(图5b)。此外，PZH-1在强酸(1 M H₂SO₄)和强碱(1 M NaOH)下表现出稳定的蒸发性能，收集水的pH值可以达到7(图5c)，表明其在多种工作环境下的净化能力是稳定的。不同于以往的阻盐结构策略，水凝胶本身基于快速输水的能力表现出内在的抗盐污染行为。30分钟后，盐晶体(NaCl)消失(图5d)。同时，PZH-1在10 wt% NaCl溶液中的SVG率保持稳定3周，表明其良好的耐久性，在长期的太阳能脱盐中显示出良好的潜力。

四、结论与展望

在这项研究中，作者开发了一类具有优良太阳能水蒸发SVG性能的PZHs，用于高效脱盐高盐度盐水。由于反聚电解质作用，盐水中的盐离子倾向于与相反的带电官能团相互作用。这种相互作用不仅产生了更水合的聚合物网络和更多的中间水以加速水蒸发，而且还产生了分层结构，以更快的水运输。在10%的盐水中，PZHs的SVG速率为4.14 kg m^-2 h^-1。同时，PZH蒸发器在去除废水中的盐分和重金属离子方面也具有良好的性能，并且具有长期的耐用性。

五、文献

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202208487

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