​余桂华团队《先进材料》：生物质基杂化水凝胶蒸发器，用于高效太阳能水净化

如何获得清洁的水是困扰全世界人民的普遍问题之一，人们迫切需要开发能高效地从海水或废水中进行现场水净化的技术，减少能源消耗并将

如何获得清洁的水是困扰全世界人民的普遍问题之一，人们迫切需要开发能高效地从海水或废水中进行现场水净化的技术，减少能源消耗并将对环境的负面影响降至最低。尽管基于热的方法（例如蒸汽压缩和多效蒸馏）已经成熟，但它们仍然需要大量的电能消耗以及大型集中式安装。利用基于膜的技术的反渗透系统运行时能耗要低得多，但仍需要先进的支持基础设施和频繁维护。因此，太阳能精馏受到越来越多的关注，因为太阳能在丰度，可持续性和环境友好性方面使所有其他基于化石的能源相形见绌。太阳能精馏的一个关键的挑战是自然阳光（≤1kW m-2）的扩散太强，无法为高效的水蒸馏系统提供动力。因此，需要昂贵的太阳能集中器，这增加了该技术的总成本。避免这种不足的太阳能供应的方法包括改善日光捕获，提高太阳热效率以及减少对周围环境的热损失的方向。因此，人们探索并开发了多种吸光材料，以通过调节纳米材料的尺寸和形态来收集整个太阳波长范围内的光。最近，基于水凝胶的太阳能蒸发器被证明可以通过调节聚合物网络与水分子之间的相互作用来实现创纪录的高蒸发率（> 3.0 kg m-2h-1）。亲水性聚乙烯醇（PVA）作为主要的聚合物分子筛网能够降低水的蒸发焓，因此能够更快地蒸发水。水凝胶材料的自清洁功能也为它的长期使用提供了可能性。但是目前，基于水凝胶的蒸发器的原材料在竞争性净水系统所需的技术上仍然面临成本和可扩展性方面的障碍。基于此，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华团队近日将可再生生物质魔芋葡甘露聚糖（KGM）与易于合成的铁基金属有机骨架（Fe-MOF）作为太阳能吸收剂引入PVA网络，从而形成了具有成本效益的杂化水凝胶蒸发器（HHEs）。该工作以题目为“Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification”发表在《先进材料》上。天然的KGM具有出色的隔热性能，不仅有助于促进大、中孔结构的快速水传输，还为水凝胶提供了更多的水合能力，降低蒸发焓，通过形成氢键和螯合键有效去除水中的重金属离子和有机染料。用低成本原材料制备了磁响应MOF光热纳米粒子，通过简便的磁体可以合理地控制磁性太阳能吸收剂的空间分布，以改善蒸发表面的热定位，并将太阳能吸收剂的使用量减少到已报道的水凝胶蒸发器的三分之一。 该水凝胶蒸发器的整体材料成本较低，仅为$ 14.9 m-2，在一个阳光下可提供高达3.2 kg m-2 h-1的高水蒸发率，能量效率约为90％，具有良好的应用前景。

图1. a）铁基MOF吸收剂位于水凝胶蒸发器的顶部表面，以将太阳能转化为热能并就地产生纯净的蒸汽 b）通过同时进行一步吸附和太阳蒸馏，去除重金属离子和有机染料【图文解析】

图2. a）简易磁铁辅助制造以减少所需的吸收剂总量。b）典型的HHEs样品照片。SEM图像c）冷冻干燥的杂化水凝胶的横截面和d）内部多孔结构。e）纯PVA（蓝色），纯KGM（绿色）和HHE（粉红色）的FTIR光谱。f）PVA /吸收剂水凝胶和HHE的储能模量（Gʹ）、损耗模量（Gʺ）。比例尺：b）1cm，c）30um和d）3um解析：HHEs是通过PVA和KGM与碳化的Fe-MOF纳米颗粒作为太阳能吸收剂的原位共凝胶化合成的。黑色磁性Fe-MOF吸收剂的尺寸均匀，直径约为35 nm。使用磁体将吸收剂颗粒带到蒸发器的上侧，这大大减少了蒸发器实现高太阳吸收所需的颗粒量。SEM所显示的独特的多孔结构可能有利于调节杂化水凝胶内部的水传输，从而在太阳能蒸汽产生过程中更快地供水。

图3. a）从半饱和状态到完全饱和状态的膨胀行为以及计算出的蒸发器的水传输速率。 b）在半膨胀和完全膨胀状态下测得的HHEs的热导率。 c）HHEs及吸收剂粉末的UV-vis-NIR光谱以及1.5倍全球空气质量下太阳光谱的归一化光谱太阳辐照度密度。 d）在一个阳光强度照射下，HHEs表面和水体中的温度。 e）相应的红外图像显示了温度分布，辐射时间为0、10、30和60分钟（比例尺：1cm）。 f）COMSOL模拟控制模型（具有均匀分布的吸收剂的纯PVA水凝胶）和HHEs的温度分布，显示出在其顶部引入KGM和吸收剂后明显的热局部化效果。解析：HHEs的饱和水含量随KGM的比例增加而增加，表明杂化水凝胶的溶胀能力可以通过KGM与PVA的重量比来调节，增加KGM / PVA比值，可以减少其从半饱和状态达到完全膨胀状态所需的时间。通过追踪一个阳光强度照射下蒸发器表面和水体的温度评估了HHEs的光热行为：所有蒸发器在开始的5分钟内都会出现表面温度升高，并在20分钟后最终达到31°C的平衡温度，而下部水体的温度保持在22°C左右。

图4. a）在广泛的盐度和pH范围内评估蒸发性能。 b）评估之前和之后对海水样品初级离子的脱盐性能。 c）最初在一个光照强度下在盐晶体存在的情况下HHE的防盐垢蒸发性能。 比例尺：1cm。 d）HHEs和重金属离子在水中吸附2 h的行为。 e）HHEs去除水溶性有机染料的能力。 f）太阳蒸馏前后HHE 3的总体重金属去除性能g）在使用HHE 3进行一步式太阳能蒸馏之前和之后的德克萨斯州科罗拉多河细菌测试。解析：HHEs在2至14的pH值范围内都能很好地发挥作用，涵盖了所有家庭和工业废水条件。HHE可以很好地吸附在水中具有溶解的金属离子和有机染料。并且经过纯化后，有害细菌（大肠杆菌和大肠菌）也被降低到低于Test Assured（美国）提供的饮用水试剂盒的检测水平以下。HHEs的整体净化性能显示其在重金属离子去除和废水净化过程中的巨大潜力。【总结】

引入KGM与Fe-MOF到PVA网络后制备的HHEs具有强大的净化能力，丰富的原材料和低成本使其在海水淡化，海盐生产，废水处理和金属提取等各种实际应用中具有巨大潜力。

来源：高分子科学前沿

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