Advanced Sustainable Systems:基于淀粉样蛋白的气凝胶太阳能蒸发器

随着气候变化、不断增长的世界人口和日益严重的水污染问题,水危机已经成为当今世界最严峻的挑战,人类迫切需要一种可持续的、经济的方案,以在全球范围内提供安全饮用水。海水是世界上最丰富的资源之一,将其脱盐转化为可饮用水是解决人类水危机的重要途径。现阶段主要的海水脱盐技术可分为热脱盐和反渗透膜分离,但这两种方法都需要集中的、技术密集的水处理工厂,其高能耗、高成本的问题大大限制了它们的广泛应用。相比之下,最近太阳能驱动水蒸馏技术备受关注,被认为有望取代传统的海水淡化技术,即通过分散式的水净化让更多人获得安全的可饮用水。然而,太阳能水蒸发系统同样面临着挑战:虽然新材料提高了水蒸发的效率,但同时也提高了制造成本,并有可能导致二次污染问题。

为了应对这一挑战,苏黎世联邦理工学院Raffaele Mezzenga及合作者报道了一种以乳清淀粉样原纤维(WAF)为主要成分的双层可生物降解,用于太阳能水蒸发器。WAF以乳制品行业的副产品乳清作为原材料,并可以使用可生物降解的聚合物作为凝胶剂,因此具有高度的可持续性和环保性。

在本研究中,作者首先通过自组装的方法,以乳清蛋白为原料制备了WAF,再使用聚乙烯醇)诱导WAF凝胶化,并使用聚多巴胺(PDA)使凝胶变黑,最后通过冷冻干燥的方法制备出双层气凝胶。之后,作者对气凝胶进行了SEM、FTIR和机械性能表征,并通过UV-Vis/近红外光谱仪研究了气凝胶的光吸收效率。

接下来,作者评估了WAF气凝胶的界面蒸发性能。在一个标准太阳光强下,气凝胶组的水蒸发率达到了1.61 kg·m-2·h-1,在两个标准太阳光强下蒸发率增加到3.32 kg·m-2·h-1。作者指出,水蒸发率的提高归因于淀粉样蛋白混合气凝胶出色的热限制能力、良好的结构以及及时的水对流,同时进入气凝胶的部分水分子与内部通道中丰富的羟基能够相互作用以提高润湿能力,从而使气凝胶网络中水蒸发所需能量减少。连续3天的循环实验显示,蒸发速率基本保持恒定,表明该气凝胶具有良好的稳定性和耐久性。

最后,作者使用WAF气凝胶对来自不同湖泊、海洋的水样品进行了淡化实验。结果表明,无论盐度和其他例子浓度如何变化,该蒸发器产出的水源均能达到饮用水标准。此外,冷凝蒸汽中重金属、有机(染料)分子和大肠杆菌的浓度都比水中下降了5~6个数量级,表明该净水系统对污染水源同样适用。

Renewable Water Harvesting by Amyloid Aerogels and Sun

Mohammad Peydayesh, Tiara Greber, Iwan Haechler, Antonius Armanious, Xiangze Jia, Mattia Usuelli, Massimo Bagnani, Raffaele Mezzenga

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100309

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100309

原创署名:潘奕辰