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  獲得清潔的水資源迫在眉睫。人們呼吁降低凈化海水或廢水的成本，同時減少能源消耗，并把對環(huán)境的負(fù)面影響降至最低。由于傳統(tǒng)的基于熱能或過濾膜的海水淡化消耗大量電力，需要大型且復(fù)雜的集中式基礎(chǔ)設(shè)施，這對于偏遠及經(jīng)濟落后的地域而言不是可持續(xù)的途徑。因此，太陽能海水蒸發(fā)被視為可以緩解淡水稀缺的最有前景的環(huán)保型技術(shù)之一。然而，一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是自然陽光不夠強（≤1kW m^-2），無法為高效的水蒸餾系統(tǒng)提供動力，一旦利用昂貴的太陽能聚光器就會增加此項技術(shù)的整體成本。近幾年來，研究者們通過引入高效光熱轉(zhuǎn)換材料，合理設(shè)計納米結(jié)構(gòu)，并將熱量集中到少量蒸發(fā)器表面附近的水來加速蒸發(fā)過程。目前，通過調(diào)節(jié)聚合物網(wǎng)絡(luò)與水分子之間的相互作用，水凝膠太陽能蒸發(fā)器已可在一個陽光下達到高蒸發(fā)速率，但所需的技術(shù)成本仍需進一步優(yōu)化。首先，具有特定分子量和純度的聚合物需要額外的專業(yè)處理，目前仍處于實驗室規(guī)模。另外，水凝膠太陽能蒸發(fā)器中所用諸如聚吡咯和特殊金屬氧化物納米顆粒的高效吸光材料成本頗高�？紤]到經(jīng)濟困難的人口，實現(xiàn)具有低成本、高效率且高質(zhì)量的太陽能水凈化系統(tǒng)仍需突破。

圖1. HHE用于太陽能水凈化的示意圖。

  美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授課題組將可再生生物質(zhì)魔芋葡甘露聚糖（KGM）與原料成本低，易合成且高產(chǎn)率，吸光性能優(yōu)異的鐵基金屬有機骨架納米顆粒（Fe-MOF）引入聚乙烯醇骨架（PVA），設(shè)計出了低成本高能效的混合水凝膠蒸發(fā)器（HHE）（圖1）。天然豐富的KGM具有很好的隔熱性能， 不僅有助于促進孔道結(jié)構(gòu)的水傳輸，而且增強了水凝膠的水合能力，從而進一步降低水的蒸發(fā)焓。另外，運用磁體輔助，具有磁響應(yīng)的Fe-MOF納米顆粒在水凝膠蒸發(fā)器內(nèi)的空間分布可通過磁鐵進行簡單便捷的調(diào)控，有助于熱量集中在蒸發(fā)器表面，并將納米顆粒的使用量降低到已報道的水凝膠蒸發(fā)器的三分之一。HHE的整體材料成本較低，每平方米僅需14.9美元，在一個太陽光強下可實現(xiàn)高達每平方米每小時3.2 千克的高水蒸發(fā)率。HHE在成本效益方面優(yōu)于大多數(shù)當(dāng)前的太陽能凈水系統(tǒng)，可滿足各種區(qū)域的人群。借助KGM提供的大量的羥基（-OH），HHE通過形成氫鍵和螯合有效去除重金屬離子和有機染料，進一步提高了凈水的水質(zhì)，在實際應(yīng)用中優(yōu)勢明顯。

圖2. 水凝膠蒸發(fā)器（HHE）的制備和表征。a）便捷的磁鐵輔助制造，以減少所需的材料的總量。b）HHE樣品的照片。SEM圖像：c）冷凍干燥的HHE的橫截面和d）內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。

  HHE可通過PVA和KGM原位共凝膠作用合成，碳化后的黑色磁性Fe-MOF納米顆粒被添加至膠內(nèi)用于高效太陽能吸收。（圖2a）。實驗制備中，通過使用磁鐵將納米顆粒吸引至蒸發(fā)器的一側(cè)可在大大減少所需的納米顆粒質(zhì)量的情況下同時保證高效太陽能吸收，從而節(jié)約成本（圖2b）。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像表明，HHE橫截面具有垂直管狀通道（圖2c），內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有很多微孔結(jié)構(gòu)（圖2d），它們通過毛細(xì)作用力促進了水的輸送。這種獨特的多孔結(jié)構(gòu)可能有助于調(diào)節(jié)混合水凝膠內(nèi)部的水傳輸，從而在太陽能蒸汽產(chǎn)生過程中更快地供水。

圖3. HHE的水輸送，熱量管理及水蒸發(fā)性能。a）從半飽和狀態(tài)到完全飽和狀態(tài)的膨脹時間以及HHE的水傳輸速率。b）在半膨脹和完全膨脹狀態(tài)下測得的HHE的熱導(dǎo)率。c）HHE的UV-vis NIR光譜。d）COMSOL模擬具有均勻分布的納米顆粒的純PVA水凝膠和HHE 3的溫度分布，顯示出在混合水凝膠蒸發(fā)器頂部引入KGM和吸收器后明顯的熱局域效果。e）一個太陽光強下HHE的太陽蒸氣產(chǎn)生性能。f）HHE的等效焓和水蒸發(fā)效率。g）HHE 3連續(xù)72小時的持續(xù)時間測試。

  作者制備了具有相同F(xiàn)e-MOF納米顆粒濃度和不同KGM / PVA重量比的HHE，其中HHE 3中 KGM含量最多。所有HHE均具有出色的太陽吸收特性（約98％，圖3c）。通過增加KGM / PVA比值，可以將水傳輸速率（飽和水含量除以半溶脹時間）增加（圖3a）。此外，由于KGM的熱導(dǎo)率極小，通過增加KGM / PVA比值，HHE的熱導(dǎo)率逐漸減小（圖3b）。低熱導(dǎo)率可以最大限度地減少熱量向底層流失，從而將能量局域在膠的表面用于水蒸發(fā)。通過使用COMSOL模擬整個裝置的溫度分布，發(fā)現(xiàn)與吸光納米顆粒均勻分布的純PVA水凝膠相比，引入KGM并將吸光納米顆粒限制在一側(cè)的HHE 3 能夠更有效的將熱量局域在蒸發(fā)表面附近，減少不必要的熱量損失。由于KGM能夠增強HHE的水合能力并降低水蒸發(fā)的能量需求，因此，在一個太陽光強（1 kW m^-2）下，HHE 3表現(xiàn)出最高的蒸發(fā)速率（?3.2 kg m^-2 h^-1）和?90％的高能量效率（圖3e和3f）。在72小時的持續(xù)測試中，HHE 3的蒸發(fā)速率幾乎是恒定的，可用作長期穩(wěn)定的高效太陽能水蒸發(fā)（圖3g）。

圖4. HHE的水凈化性能。a）在廣泛的鹽度和pH范圍內(nèi)的蒸發(fā)性能。b）海水樣品蒸發(fā)前后的脫鹽性能。c）防鹽垢的能力。d）重金屬離子吸附行為。e）去除水溶性有機染料的能力。f）太陽能蒸餾前后重金屬去除性能（包括吸附的貢獻）。g）德克薩斯州科羅拉多河水在太陽能蒸餾前后的細(xì)菌測試。

  最后，作者評估了HHE 的太陽能水凈化性能。實驗表明，HHE 3可工作于各種極端環(huán)境，在鹽度范圍為0至420（g kg^-1）的合成海水樣品和pH范圍為0至14的廢水表現(xiàn)出穩(wěn)定的水蒸發(fā)速率。（圖4a）。該pH范圍基本涵蓋所有家庭和工業(yè)廢水條件。通過對海水樣品的測試，四種主要離子的濃度顯著降低了3至4個數(shù)量級，遠低于WHO的飲用水標(biāo)準(zhǔn)（圖4b）。此外，HHE本身具有優(yōu)異的防鹽垢的自清潔能力，可自行清除表面的鹽晶體，對于長期海水淡化應(yīng)用至關(guān)重要（圖4c）。HHE同時具有對重金屬離子和有機染料的吸附性能。如圖4d和4e所示，HHE 3在水樣中漂浮兩個小時后，水中的金屬離子（包括鎘和汞等）的濃度降低了4-7個數(shù)量級。這是由于重金屬離子具有4s/3d（或5s/4d，6s/5d）的空軌道，可接受氧的自由電子對，從而形成螯合鍵。HHE中含有過量–OH基團，這種螯合作用會更易發(fā)生。類似，KGM的-OH基團能夠與許多有機染料的叔胺基團的氮原子和磺酸基團的氧原子形成氫鍵，從而實現(xiàn)對有機染料的吸附。在水蒸發(fā)后，重金屬離子的濃度進一步降低了2到3個數(shù)量級，因此，在利用HHE進行水凈化后，重金屬離子的濃度共降低了6-9個數(shù)量級（圖5f）。其中，汞離子由于具有蒸發(fā)特性，不可以通過簡單蒸餾工藝去除，而HHE的吸附作用可將汞離子的濃度降低7個數(shù)量級。在使用HHE進行水凈化過程之后，有害細(xì)菌也被降低到飲用水試劑盒的檢測水平以下（圖5g）。HHE的整體凈化性能展現(xiàn)了其在重金屬離子去除和廢水凈化過程中的巨大潛力。

  文章信息：

  Youhong Guo, Hengyi Lu, Fei Zhao, Xingyi Zhou, Wen Shi, Guihua Yu, ''''Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification'''', Adv. Mater. 1907061 (2020).DOI: 10.1002/adma.201907061

  全文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907061

研究團隊簡介

  余桂華，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校材料科學(xué)與工程系，機械系終身教授。

  余桂華教授課題組的研究重點是新型功能化納米材料的合理設(shè)計和合成，對其化學(xué)和物理性質(zhì)的表征和探索，以及推廣其在能源，環(huán)境和生命科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)重要的技術(shù)應(yīng)用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Nano Letters, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today, 等國際著名刊物上發(fā)表論文160余篇，論文引用逾27000次。其發(fā)表工作曾被多個 國際媒體亮點報道，其中包括Nature News, Science News, ABC News, Fox News, Forbes, Discover, National Geographic, Science Daily, R&D Magazine, MIT Technology Review, Popular Science, Ars Technica, C&;EN, Gizmag, IEEE Spectrum, MRS Bulletin等。

  現(xiàn)任 ACS Materials Letters副主編，Chem (Cell Press), Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Nano Research (Springer), Scientific Reports (Nature Publishing), Energy Storage Materials (Elsevier), Science China-Chemistry, Science China-Materials (Science China Press), Batteries & Supercaps (Wiley-VCH), Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH), Frontiers in Energy Research, Applied Nanoscience (Springer), Energies (MDPI)等國際期刊編委。

  課題組鏈接：https://yugroup.me.utexas.edu/