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清華大學(xué)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(fā)效率的整體式親水聚合物泡沫用于海水淡化
2024-08-27  來(lái)源：高分子科技

  太陽(yáng)能界面海水淡化技術(shù)作為綠色、經(jīng)濟(jì)的淡水生產(chǎn)方法，具有巨大的發(fā)展?jié)摿。然而在連續(xù)式的海水淡化過(guò)程中，蒸發(fā)器的表面會(huì)出現(xiàn)鹽沉積的問(wèn)題，減小了光熱活性表面積并堵塞水蒸氣的輸送，導(dǎo)致蒸發(fā)速率的急劇下降，降低了蒸發(fā)器的使用壽命，從而限制該技術(shù)的發(fā)展。目前，如何實(shí)現(xiàn)界面蒸發(fā)器長(zhǎng)期穩(wěn)定抗鹽性能且不犧牲蒸發(fā)性能是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。


  日前，清華大學(xué)危巖教授、李若馨博士與其合作者報(bào)道了一種高水通量（~14.4 L m-2 h-1）的單組分整體式蒸發(fā)器，能在聚合物表面形成穩(wěn)定的水膜，該蒸發(fā)器通過(guò)內(nèi)部鹽濃度差和外部馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的離子對(duì)流的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)了卓越的耐鹽性和表面自清潔能力。相關(guān)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(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。


  研究團(tuán)隊(duì)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(fā)器。通過(guò)SEM表征手段，證實(shí)了具有多孔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器的成功制備。該蒸發(fā)器表現(xiàn)出了穩(wěn)定的類(lèi)水凝膠的溶脹-收縮行為，在溶脹狀態(tài)下能有效擴(kuò)大光熱活性面積。


圖1 多孔聚合物泡沫蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)表征與溶脹行為


  此蒸發(fā)器具有高效和寬帶的光學(xué)吸收能力，在整個(gè)太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)（從250到2500 nm）的平均吸收率為98.8%。在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)輻照下，該蒸發(fā)器在15 s內(nèi)迅速升溫至46.0 ℃，在6 min后升溫至73.1 ℃并保持穩(wěn)定。通過(guò)基于水凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，該蒸發(fā)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(guò)接觸角表征證明了該蒸發(fā)器的親水性與快速的水傳輸能力。得益于優(yōu)秀的光熱和水管理能力，該蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)了3.47 kg m-2 h-1的高蒸發(fā)速率和94.3%的高蒸發(fā)效率，超越了多數(shù)之前報(bào)道過(guò)的整體式蒸發(fā)器。該蒸發(fā)器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在400個(gè)循環(huán)測(cè)試后，蒸發(fā)速率基本保持不變。在不同溶液的蒸發(fā)測(cè)試中，該蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率為2.92-3.23 kg m-2 h-1，蒸發(fā)效率為79.3-87.7%，這表面該蒸發(fā)器有潛力應(yīng)用于生活和工業(yè)廢水的高效處理。


圖2 多孔聚合物泡沫蒸發(fā)器的光熱與水管理能力


圖3 多孔聚合物泡沫蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能


  該蒸發(fā)器通過(guò)內(nèi)部鹽循環(huán)和外部基于馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了卓越的耐鹽性和表面自清潔能力。將33%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉顆粒置于蒸發(fā)器表面，在模擬海水中（3.5%鹽度）與1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)的照射下，蒸發(fā)器表面的氯化鈉顆粒在1.25 h后完全去除。在25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的近飽和鹽水中，與黑色PE泡沫作對(duì)比，在連續(xù)12h的1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)的照射下，無(wú)論是鹽水表面和PE泡沫表面均出現(xiàn)了鹽沉積，而在該蒸發(fā)器表面沒(méi)有觀(guān)察到任何鹽沉積。通過(guò)照片拍攝證實(shí)了該蒸發(fā)器能在表面形成一層水膜，水膜的厚度約為 200 μm。在實(shí)際脫鹽過(guò)程中，蒸發(fā)器表面的鹽度會(huì)繼續(xù)增加，超過(guò)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(duì)流，輸送蒸發(fā)器表面的鹽分至水體，從而防止鹽分結(jié)晶。


圖4 多孔聚合物泡沫蒸發(fā)器的耐鹽性與自清潔能力


  海水淡化過(guò)程實(shí)際是水分子從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的相變過(guò)程，該過(guò)程所需能量即為蒸發(fā)焓。在相變過(guò)程中，水分子與周?chē)肿影l(fā)生氫鍵斷裂，因此降低氫鍵斷裂所需的能量，能促進(jìn)水分子的蒸發(fā)。該蒸發(fā)器網(wǎng)絡(luò)具有豐富的含氧官能團(tuán)，可以與水分子形成弱氫鍵作用，促進(jìn)中間水的形成。DSC測(cè)試中的尖銳吸熱峰證實(shí)了中間水的存在，且其蒸發(fā)焓相比純水大幅降低，促進(jìn)了水的蒸發(fā)。


圖5. 多孔聚合物泡沫蒸發(fā)器中的水。


  該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種高效耐鹽的聚合物泡沫蒸發(fā)器，它具有高光學(xué)吸收率、出色的光熱轉(zhuǎn)換效率。該蒸發(fā)器是一種單層、多孔、親水的整體蒸發(fā)器，具有高效水傳輸能力和高效的蒸發(fā)性能，在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)了3.47 kg m-2 h-1的高蒸發(fā)速率和94.3%的高蒸發(fā)效率。通過(guò)設(shè)計(jì)具有親水性成分的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整蒸發(fā)器中水的結(jié)合狀態(tài)，從而將蒸發(fā)焓大大降低到 978 J g-1。多孔結(jié)構(gòu)和親水成分也促進(jìn)了水在蒸發(fā)器表面和水體之間的對(duì)流，為蒸汽產(chǎn)生提供了高效穩(wěn)定的水供應(yīng)（14.4 L m-2 h-1），同時(shí)避免了鹽在表面結(jié)晶。該蒸發(fā)器在高濃度鹽水（25%）中展現(xiàn)了卓越的抗鹽能力。以上證實(shí)了該蒸發(fā)器具有生產(chǎn)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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