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  界面蒸發(fā)太陽能海水淡化對于緩解全球淡水危機來說是一種很有前景的低成本方式。近年來，因其能有效降低水的蒸發(fā)焓而顯著提高水的蒸發(fā)效率，水凝膠逐漸成為一種廣受歡迎的太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)器的制作材料。但是對于蒸發(fā)器來說，在追求高效的蒸發(fā)表現(xiàn)的同時，材料的可持續(xù)發(fā)展性也備受關(guān)注，尤其考慮到蒸發(fā)器在工作狀態(tài)中的生物適應(yīng)性，可持續(xù)性，無毒性和在報廢狀態(tài)下的生物可降解性。

  對此，鄭義教授團隊聯(lián)合National Renewable Energy Laboratory (Dr. Shuang Cui) ，Marine Biological Laboratory (Prof. Joseph A. DeGiorgis) 和Providence College (Prof. Yinsheng Wan) 制作了完全基于殼聚糖 (CS) 和墨魚汁粉末 (CI) 的多孔結(jié)構(gòu)的水凝膠可作為高效穩(wěn)定的具有排鹽能力的太陽能蒸發(fā)器。在一個太陽照射下，蒸發(fā)速率高達4.1 kg m^-2 h^-1 (圖1) 。

圖1. 完全基于海洋生物提取物的CI/CS太陽能蒸發(fā)器的示意圖。

圖2. CI/CS水凝膠的制備流程圖。

  該太陽能界面蒸發(fā)器是以基于殼聚糖的水凝膠為主體進行海水的輸送和熱量的積聚，混合以黑色的墨魚汁粉末作為光熱材料進行太陽輻射的吸收并將之轉(zhuǎn)化為熱能，最后采用凍干的方式使其產(chǎn)生三維的內(nèi)部相互交通的多孔性結(jié)構(gòu) (圖2)。殼聚糖是一種多糖材料，來自于甲殼素的 N-脫乙酰化，是自然界中存在豐富的氨基多糖，主要是從甲殼類動物 (如螃蟹和蝦) 提取而來。墨魚汁中含有天然的黑色素顆粒，使得它具有很高的寬帶太陽光譜吸收率，從而躋身于光熱材料庫中的一員。這些主要提取自海洋生物的制作材料，使得蒸發(fā)器實現(xiàn)了取自于海洋，且用于海洋。

圖3. (a) CI/CS 水凝膠的太陽輻射吸收比。(b) 不同入射光角度下CI/CS 水凝膠的太陽輻射吸收比。(c) 動態(tài)水接觸角測量。(d) 不同濃度的CI/CS水凝膠的水吸收比。(e) 不同濃度的CI/CS水凝膠在干的狀態(tài)和濕的狀態(tài)下的熱導(dǎo)率。(f) 2 wt% 的CI/CS水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

  由于黑色素本身對太陽光有著高吸收率，且CI/CS 水凝膠外表面的多孔結(jié)構(gòu)也有助于光的捕捉，即使針對不同角度的入射光照，該水凝膠也展現(xiàn)了統(tǒng)一的高吸收率，是一個很理想的光吸收器 (圖3a, b)。此外，由于本身材料的親水性和整體結(jié)構(gòu)的多孔性，CI/CS蒸發(fā)器也具有很好的吸水能力，從而保證了能持續(xù)地給蒸發(fā)表面供水進行水的蒸發(fā) (圖3c-e)。

圖4. (a) 室內(nèi)蒸發(fā)實驗裝置示意圖。(b) 不同供水方式裝置示意圖。以 (c) 棉布和(d)直接接觸作為供水方式的蒸發(fā)器在工作過程中的紅外熱像圖。(e) 不同供水方式的蒸發(fā)器在工作過程中水凝膠中心溫度隨時間變化曲線。(f) 在一個太陽照射下，水的質(zhì)量隨著時間的變化。(g) 不同濃度的蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率的比較。(h) CI/CS水凝膠中水的拉曼光譜和譜帶擬合。(i) 基于生物材料的不同的太陽能界面蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率的比較。

  在室內(nèi)的太陽驅(qū)動下的水蒸發(fā)實驗當(dāng)中，他們對比了兩種對CI/CS水凝膠的供水方式，一種是采用無紡織棉布作為傳輸水的通道，另一種是將水凝膠直接接觸水溶液 (圖4a, b)。在一個太陽照射下，采用棉布作為供水方式的蒸發(fā)裝置具有更高的表面穩(wěn)定溫度 (48℃) 和蒸發(fā)速率 (4.1 kg m^-2 h^-1) (圖4c-f)。CI/CS水凝膠蒸發(fā)器具有超出理論值的蒸發(fā)速率，得益于它能降低存在于水凝膠中的水的蒸發(fā)焓值。通過對其進行拉曼光譜分析可得，在CI/CS水凝膠中，中間水與游離水的比值為1.31.

圖5. (a) 在一個太陽照射下，不同鹽濃度溶液的質(zhì)量隨時間的變化。(b) CI/CS水凝膠鹽積聚實驗裝置示意圖。(c) 鹽顆粒積累在CI/CS水凝膠表面照片。(d) CI/CS水凝膠排鹽原理示意圖。(e) 鹽隨時間溶解反滲過程。CI/CS水凝膠對外加鹽顆粒反滲能力測試 (f) 實驗裝置和 (g) 隨時間變化過程。 (h, i) CI/CS水凝膠在長時間光照條件下的蒸發(fā)穩(wěn)定性測試。(i) 不同光照強度下的蒸發(fā)速率測試。(k) 太陽能鹽水淡化前后鹽度比較。

  在正常一個太陽照射下的工作條件下，CI/CS蒸發(fā)器能在不同鹽濃度的溶液中穩(wěn)定高效的工作，且不會有鹽顆粒的積累 (圖5a)。為了展示它的良好的排鹽性能，他們采用高倍聚光比照射水凝膠且供以20 wt% 鹽濃度的水溶液，加速蒸發(fā)表面鹽顆粒的形成和聚集 (圖5b,c)。當(dāng)把蒸發(fā)器重新放置在3.5 wt% 鹽濃度的水溶液上時，由于離子濃度差和強大的供水能力，所積聚的鹽顆粒會在短時間內(nèi)溶解并反滲回底部溶液中，從而實現(xiàn)鹽的自清潔過程 (圖5d, e)。即使對于大量的外加的鹽，CI/CS蒸發(fā)器也同樣表現(xiàn)出了良好的自清潔能力 (圖5f,g)。在長時間穩(wěn)定性測試中，該蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率能夠穩(wěn)定在4.1 kg m^-2 h^-1左右，且所蒸發(fā)的水的質(zhì)量符合規(guī)定飲用水標(biāo)準 (圖5h-k)。

  相關(guān)論文以題為Seawater desalination derived entirely from ocean biomass 發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》，同時并被選為封底圖片。通訊作者是美國東北大學(xué)鄭義教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA05068K