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天工大張松楠副研究員/福大賴躍坤教授 CEJ:可高效集霧的兼具Cu(OH)?微針和嵌入式串珠狀納米纖維膜的四元仿生親疏復(fù)合材料
2022-12-16  來源:高分子科技

  水是地球上最豐富的資源之一,應(yīng)用于人類生活的方方面面。然而,絕大部分水資源以海水形式存在,淡水資源僅占世界總水量的3%,其中的70%以兩極冰川和高山積雪的形式存在,難以獲取。目前,從自然界提取淡水的方法眾多,如海水淡化、雨水收集、地下水凈化等,上述方法雖較為成熟,但成本較高,不能廣泛適用于發(fā)展中國家,且受限于地理環(huán)境,不適于在沙漠、高原、山區(qū)等干旱地區(qū)使用。因此,探究新型集水方法有助于開拓上述地區(qū)的淡水資源,滿足當(dāng)?shù)氐纳钚枨螅徑獾倘眴栴}。事實(shí)上,水在自然界以水汽、露珠、霧水的形式廣泛存在。同時(shí),霧水在干旱和半干旱地區(qū)廣泛分布,加以收集可以成為這些地區(qū)的主要水源,且收集霧水所帶來的生態(tài)影響較小,成本較為低廉。



  近日,天津工業(yè)大學(xué)張松楠副研究員聯(lián)合福州大學(xué)賴躍坤教授,通過仿仙人掌刺的不對稱結(jié)構(gòu)、沙漠甲蟲背部的親/疏水表面、蜘蛛絲的紡錘節(jié),荷葉的不對稱浸潤性,利用化學(xué)刻蝕和靜電紡絲技術(shù),成功制備了兼具不對稱微觀結(jié)構(gòu)和相反潤濕性的四元仿生Janus膜材料。該材料不僅同時(shí)構(gòu)建了浸潤性梯度和形狀梯度,而且還大大降低了水分的再次蒸發(fā),實(shí)現(xiàn)了高效的霧水收集,為緩解淡水資源危機(jī)提供了新的思路。該研究成果以“A quadruple biomimetic hydrophilic/hydrophobic Janus composite material integrating Cu(OH)2 micro-needles and embedded bead-on-string nanofiber membrane for efficient fog harvesting” 為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。


  常見的霧水收集材料通常設(shè)計(jì)為垂直于霧氣流向放置的網(wǎng)格或平面。集霧過程中,霧氣首先與集水材料發(fā)生碰撞,并在材料表面凝結(jié)生長。待液滴的重量大于霧水收集材料的附著力時(shí),液滴將滑落。整個(gè)霧水收集過程可分為兩個(gè)主要部分:霧滴捕獲和液滴運(yùn)輸。增大霧滴捕獲與強(qiáng)化液滴單向運(yùn)輸成為制備高效霧水收集材料的關(guān)鍵要素。該材料通過化學(xué)刻蝕在金屬銅網(wǎng)表面生成微米級“針刺”結(jié)構(gòu),然后再靜電紡一層串珠狀超疏水靜電紡絲膜,使得微米級針刺結(jié)構(gòu)能夠穿透靜電紡絲膜,構(gòu)造出一種具有不對稱微觀結(jié)構(gòu)和親疏水特性的復(fù)合集水材料,實(shí)現(xiàn)了高效的霧水收集。具體制備過程如圖1所示。該制備工藝兼具成本低廉與工序簡單的優(yōu)點(diǎn),為緩解淡水資源短缺問題提供了新的思路。 


1 a) NF/MN Cu mesh的制備流程圖;b-d) Cu meshMN Cu mesh、NF/MN Cu mesh500倍的SEM圖像;e) MN Cu meshSEM橫截面圖像;f-g分別是c-d對應(yīng)的5000倍的SEM圖像。


  通過觀察發(fā)現(xiàn),經(jīng)化學(xué)刻蝕之后銅絲表面生成了微米級銅針,使得銅絲的比表面積和粗糙度都得以增加。同時(shí),該納米纖維膜/微針銅網(wǎng)復(fù)合(NF/MN Cu mesh)膜材料還表現(xiàn)出顯著的Janus親疏水特性,此浸潤性隨紡絲時(shí)間變化而相應(yīng)改變。 


2 a) 各樣品的比表面積;b各樣品的粗糙度;c各樣品的接觸角;d) 各樣品的XRD光譜圖;e) 各樣品的粗糙度圖像。


  結(jié)果表明,NF/MN Cu mesh-20的霧水收集效率明顯高于其他樣品,集水量可達(dá)65.081 g min-1 cm-2。將每個(gè)樣品重復(fù)測試10次,水收集數(shù)據(jù)依然穩(wěn)定,可實(shí)現(xiàn)持續(xù)的霧水收集過程。除此之外,NF/MN Cu mesh Janus膜材料阻礙了親水側(cè)水分向疏水側(cè)轉(zhuǎn)移,降低了水分的二次蒸發(fā),有效提高了保水率。兩者協(xié)同作用共同實(shí)現(xiàn)了霧水的高效收集。 


3 各樣品霧水收集測試實(shí)拍圖。 


4 a) 霧水收集示意圖;b) 各樣品在一小時(shí)內(nèi)的集水量;c) 各樣品的集水效率;d) 各樣品前五滴液滴的滴落時(shí)間圖;e) 保水效率圖;f) 各樣品循環(huán)使用10次的集水效率。


  本研究以仙人掌刺、沙漠甲蟲、蜘蛛絲和荷葉為靈感設(shè)計(jì)的親/疏水Janus 膜材料具有超高的比表面積,有效增強(qiáng)了霧滴的捕獲、凝聚和運(yùn)輸。實(shí)驗(yàn)表明,該材料兼具高效的霧水捕獲能力(80.57 g min-1 cm-2)與優(yōu)越的保水能力(92.97%,實(shí)現(xiàn)了霧水的高效收集,為緩解淡水資源危機(jī)提供了新的思路。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722063434

  個(gè)人主頁:https://www.x-mol.com/groups/zhangsongnan

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