Advanced Functional Materials:水凝胶基高效太阳驱动膜蒸馏净水

基于太阳能驱动蒸汽生成(SVG)的水净化技术由于其环保、易实现和使用可再生太阳能等特点,是一种可同时解决淡水危机和能源危机的潜在策略,从而引起了科研工作者的极大兴趣。近几年来,一种结合了太阳能驱动蒸汽生成(SVG)技术和膜蒸馏技术优点的光驱动膜蒸馏(Solar-MD)技术被开发了出来。目前,文献报道的solar-MD系统都使用基于多孔疏水膜(例如PTFE膜)的光热膜来协助完成膜蒸馏过程。在这些系统中,蒸发前沿位于原料水(feed water)一侧,蒸汽在原料水/疏水膜界面处产生,并在浓度梯度驱动下扩散通过多孔膜而在另一侧被收集,因此多孔膜内就存在不可避免的蒸汽浓度降和温度极化现象,从而使得后续的蒸汽收集变的困难,导致水产率仍然不能令人满意。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和合作者针对这一问题,利用水凝胶独特的水输运行为和高蒸发速率,构建了一种超薄水凝胶基光热膜(HUM),并将其应用于solar-MD,避免了蒸汽跨膜扩散和温度极化,协同实现了高效蒸气转移和自发环境能量收集,有效提升了solar-MD的水产率和能量效率。相关结果发表在Advanced Functional Materials上(论文信息附后)。

与传统的疏水多孔膜基光热膜不同,当solar-MD系统使用HUM作为光热膜时,其水凝胶层独特的水运输行为允许原料水以液态渗透到膜表面,同时又可阻止液态水从表面泄漏从而保证了MD过程的有效发生。这种独特的水运输行为将蒸发前沿重新定位于HUM/载气界面处,因此从根本上消除了跨膜蒸汽传输和蒸汽浓度降。此外,HUM的高蒸发速率导致的蒸发冷却效应将蒸发前沿温度降至低于环境,从而实现了自发的环境能注入,并避免了温度极化效应,大大提高了能量效率。基于这些特点,HUM基solar-MD系统所产生的输出湿气流的相对湿度获得显著提升,进而实现了不需要额外制冷装置的蒸汽冷凝收集。最终,该HUM基solar-MD系统可以在不借助额外冷凝装置的情况下,在一个太阳光照射时实现2.4 kg m-2 h-1的高净水产率。此外,HUM低廉的原材料成本使得HUM基solar-MD系统的淡水生产成本可低至约为0.3-1.0 $ m-3。总之,该工作为solar-MD系统的研究提供了新的思路,并为基于水凝胶的solar-MD系统研究奠定了基础。

论文信息:

High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation

Hengyi Lu, Wen Shi, Fei Zhao, Wenjing Zhang, Peixin Zhang, Chenyang Zhao, Guihua Yu

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202101036.