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長(zhǎng)安大學(xué)白波教授團(tuán)隊(duì) CEJ：一種基于唐南效應(yīng)的聚電解質(zhì)水凝膠涂層絲瓜絡(luò)海綿蒸發(fā)器-用于高濃度鹽水淡化
2023-03-11  來源：高分子科技

  界面蒸發(fā)太陽能海水淡化對(duì)于緩解全球淡水危機(jī)來說是一種很有前景的低成本方式。由于產(chǎn)生清潔淡水的巨大潛力，太陽能驅(qū)動(dòng)的界面脫鹽(SDID)作為一種碳足跡最小的水處理方法正在蓬勃發(fā)展。然而，在海水淡化過程中，鹽的積聚會(huì)阻塞蒸發(fā)通道，使蒸發(fā)速率嚴(yán)重下降。在追求理想蒸發(fā)性能的同時(shí)，蒸發(fā)器能夠在較高濃度鹽水蒸發(fā)中保持耐鹽性能也備受關(guān)注。


圖1 受紅樹林拒鹽機(jī)制啟發(fā)的PAAS-CLF蒸發(fā)器靈感來源


  近日，長(zhǎng)安大學(xué)白波教授團(tuán)隊(duì)以自然植物紅樹林的拒鹽機(jī)制為靈感來源，以具有天然3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絲瓜絡(luò)海綿（LF）為基體，聚丙烯酸鈉水凝膠（PAAS）作為涂層包覆，通過原位聚合的方法，開發(fā)了一種具有Donnan效應(yīng)的聚電解質(zhì)水凝膠蒸發(fā)器（以下簡(jiǎn)稱為PAAS-CLF）。此蒸發(fā)器的頂部碳化層具有優(yōu)異的光吸收和光捕獲能力，可作為光吸收層。在蒸發(fā)器的微通道中，受限制的反離子Na+會(huì)產(chǎn)生Donnan電勢(shì)，阻止鹽水溶液界面附近的鹽離子進(jìn)入蒸發(fā)器中，使其具有卓越的耐鹽性能。同時(shí)，天然絲瓜絡(luò)基體獨(dú)有的分級(jí)多孔通道可以有效地使蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的蒸汽逸散。在1個(gè)太陽光照下，PAAS-CLF的水蒸發(fā)速率為1.83 kg m-2 h-1，對(duì)應(yīng)于94.54%的蒸發(fā)效率。更重要的是，這種基于Donnan效應(yīng)的聚電解質(zhì)蒸發(fā)器能夠抵抗82%以上的鹽離子，并且在鹽度較寬范圍（35–200 g kg ?1）的鹽水中保持1.45 kg m-2 h-1以上的蒸發(fā)速率，確保了蒸發(fā)器在高濃度鹽水中仍保持理想的蒸發(fā)性能。 


圖2 PAAS-CLF蒸發(fā)器的制備工藝  


圖3  PAAS-CLF蒸發(fā)器的界面太陽能蒸發(fā)性能

  研究發(fā)現(xiàn)PAAS-CLF具備良好的吸光性能、優(yōu)異的水運(yùn)輸能力和理想的蒸發(fā)性能。通過DSC和Roman光譜表征進(jìn)一步研究了蒸發(fā)器中自由水(FW)、中間水(IW)和結(jié)合水（BW）中氫鍵的狀態(tài)，表明聚電解質(zhì)水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還可有效降低蒸發(fā)焓，提高蒸發(fā)速率。除此之外，還探究了聚電解質(zhì)水凝膠濃度、凝膠涂層厚度、蒸發(fā)器孔隙度演變情況等對(duì)PAAS-CLF蒸發(fā)性能的影響。 


圖4 PAAS-CL蒸發(fā)器的耐鹽性能 


圖5  PAAS-CLF蒸發(fā)器基于多南效應(yīng)的太陽能海水淡化機(jī)理


  此外，還進(jìn)行了PAAS-CLF蒸發(fā)器在高濃度鹽水中耐鹽性能的探究。為了闡明Donnan效應(yīng)對(duì)鹽離子排斥的機(jī)制，研究還建立了蒸發(fā)器表面鹽離子濃度與供水層中鹽離子濃度的函數(shù)關(guān)系，并證明了聚電解質(zhì)水凝膠具有耐鹽性能的原因是由于多孔結(jié)構(gòu)中被限制的Na+（反離子）具有的電勢(shì)誘發(fā)了Donnan效應(yīng)。因此，進(jìn)入到供水層中的鹽離子數(shù)量可通過Na+（反離子）的濃度來調(diào)控。


  這項(xiàng)工作提供了一種獨(dú)特的耐鹽性太陽能海水淡化蒸發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，通過聚電解質(zhì)水凝膠包覆天然生物質(zhì)多孔材料，制備出低成本，綠色可再生的蒸發(fā)器，可有效滿足海水淡化及高濃度鹽水的凈水要求。該成果發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，題目為“A polyelectrolyte hydrogel coated loofah sponge evaporator based on Donnan effect for highly efficient solar-driven desalination”（DOI: 10.1016/j.cej.2023.142265）。長(zhǎng)安大學(xué)博士研究生王雪純為第一作者，長(zhǎng)安大學(xué)白波教授為通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142265

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