Advanced Materials:经济高效的混合水凝胶蒸发器

海水淡化和污水净化是获得充足清洁的水资源的重要手段。传统技术大多基于热能或过滤膜,需要大量电力消耗以及大型的基础设施,因此不适用于偏远及经济落后的地区。太阳能水蒸发被视为可以缓解淡水稀缺的最有前景的环保型技术之一。然而,最大的挑战在于自然阳光不够强(≤1kW m-2),无法为高效的水蒸发系统提供动力。近几年来,研究者们通过引入高效光热转换材料,合理设计纳米结构,调节聚合物网络与水分子之间的相互作用来加速蒸发过程。其中,水凝胶太阳能蒸发器已可在一个阳光下达到高蒸发速率(每平方米每小时3.2千克),但所需的技术成本仍需进一步优化。考虑到经济困难的人口,实现具有低成本、高效率且高质量的太阳能水净化系统仍需突破。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组将可再生生物质魔芋葡甘露聚糖(KGM)与原料成本低,易合成且产率高的铁基金属有机框架纳米颗粒(Fe-MOF)引入聚乙烯醇网络骨架(PVA)中,设计出了低成本高能效的混合水凝胶蒸发器(HHE)。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201907061)上。

HHE可通过PVA和KGM原位共凝胶作用合成。实验制备中,通过简单地使用磁铁将磁性Fe-MOF纳米颗粒聚集至蒸发器的一侧,大大减少所需的纳米颗粒质量,同时保证高效太阳能吸收。KGM具有很好的隔热性能,有助于热量集中在蒸发器表面。此外,KGM有助于促进孔道结构的水传输,而且增强了水凝胶提供的水合能力,从而进一步降低水的蒸发焓。HHE的整体材料成本很低,每平方米仅需14.9美元,在一个太阳光强下可实现高达每平方米每小时3.2 千克的高水蒸发速率。HHE在成本效益方面优于大多数当前的太阳能净水系统,可满足各种区域的人群。HHE 具有优异的太阳能水净化性能。实验表明,HHE可稳定工作于各种极端环境,有效去除海水中的各种盐离子,并具有优异的防盐垢的自清洁能力。借助KGM提供的大量的羟基(-OH),HHE同时具有对重金属离子和有机染料的吸附性能,可将溶液中重金属离子(包括易挥发的汞离子)的浓度降低6-9个数量级。HHE的整体净化性能展现了其在海水淡化和废水净化过程中的巨大潜力。