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福州大學(xué)江獻(xiàn)財、武漢紡織大學(xué)葉德展 CEJ：通過簡便的方式制備多孔的海藻酸鈉/聚乙烯醇/石墨水凝膠用于高效太陽能海水淡化
2023-12-26  來源：高分子科技

  淡水資源是人類和其他生物生存不可或缺的基本資源。然而，隨著近年來世界人口的快速增長、工業(yè)的迅猛發(fā)展以及極端高溫事件的不斷增多，淡水資源緊缺的問題日益凸顯。通過太陽能淡化海水的策略展現(xiàn)出可持續(xù)，環(huán)保的優(yōu)勢。近年來海綿，木質(zhì)素和水凝膠等各種多孔材料被用于制備太陽能蒸發(fā)器。但是太陽能蒸發(fā)器的原材料成本昂貴，制造工藝復(fù)雜等方面因素一直限制其廣泛應(yīng)用。因此，迫切需要一種易于制造、原材料成本低、對環(huán)境無害且具有高效和長期穩(wěn)定性的太陽能蒸發(fā)器。


  在此工作中，福州大學(xué)江獻(xiàn)財副教授研究團(tuán)隊和武漢紡織大學(xué)葉德展研究團(tuán)隊在《Chemical Engineering Journal》期刊發(fā)表名為“Facile preparation of sodium alginate/poly(vinyl alcohol)/graphite hybrid porous hydrogel for efficient solar desalination”的論文，在該研究中作者選用海藻酸鈉（SA），聚乙烯醇（PVA）和商用石墨為主要原料，通過簡單高效的發(fā)泡冷凍交聯(lián)法賦予太陽能蒸發(fā)器以豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，制備出具備良好生物相容性，彈性的和耐鹽的多孔水凝膠基太陽能蒸發(fā)器（SPG）。


  SPG太陽能蒸發(fā)器在1 kW m-2的太陽光強度下，蒸發(fā)速率高達(dá)3.15kg m-2 h-1，蒸發(fā)效率為91%。并且，蒸發(fā)器也表現(xiàn)出高的穩(wěn)定性，SPG在連續(xù)使用12小時或20次1 kW m-2光照強度的循環(huán)下蒸發(fā)速率不會出現(xiàn)明顯衰減。SPG太陽能蒸發(fā)器在太陽能海水淡化領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。


圖 1 （a）發(fā)泡冷凍交聯(lián)法制備SPG多孔水凝膠的流程圖。（b）SPG多孔水凝膠的照片和結(jié)構(gòu)示意圖。（c）SPG多孔水凝膠用于太陽能蒸汽產(chǎn)生的工作示意圖。


圖 2不同樣品的照片和SEM圖像：（a、d和g）SPG1，（b、e和h）SPG2，（c、f和i）SPG3。


圖 3（a）SPG的體積保留率。（b）SPG中的飽和水含量。（c）SPG2在不同接觸時間下的接觸角。（d）純水和SPGs（DSC）的熱流溫度曲線。（e）SPG的可水合聚合物網(wǎng)絡(luò)中的水的示意圖，顯示了SPG網(wǎng)絡(luò)中的中間水和游離水。（f）SP2和SPG的紫外-可見-近紅外光譜。 


圖 4 (a) SPG1, (b) SPG2, (c) SPG3 (~1×1.12×p m3 在60秒內(nèi)不同時間點在纖維素紙上的水傳輸情況的照片。 


圖 5 （a）基于SPG的模擬太陽能蒸發(fā)裝置示意圖。（b）在1kW m-2模擬太陽照射1 h下純水和SPG的質(zhì)量變化。（c）純水和SPGs的溫度變化。（d）暴露于模擬太陽照射0、10、30和60分鐘時的溫度的紅外熱像照片。（e）蒸發(fā)速率和（f）太陽能蒸發(fā)的SPG的等效蒸發(fā)焓和蒸發(fā)效率。（g）SPG2在1kW m-2模擬太陽照射下的蒸發(fā)速率與其他工作的對比圖。 


圖 6 在模擬1kW m-2太陽光下使用SPG在3.5 wt%鹽水中蒸發(fā)12 h期間的（a）質(zhì)量變化和（b）蒸發(fā)速率。（c） SPG上表面的鹽顆粒溶解過程照片。SPG在不同濃度的鹽水（3.5、10和20 wt%）中的（d）質(zhì)量變化和（e）蒸發(fā)速率。（f） 太陽能蒸發(fā)過程中SPG耐鹽性原理示意圖。

 

圖 7分別在0.5、1.5和2 kW m-2的太陽光強度下，SPG的（a）質(zhì)量變化和（b）相應(yīng)的蒸發(fā)速率。（c）SPG在10次循環(huán)壓縮試驗中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（d） 使用SPG在1kW m-2模擬太陽光強度下10次循環(huán)壓縮前后的質(zhì)量變化。在1 kW m-2模擬太陽光蒸發(fā)下，在3.5 wt%鹽水中蒸發(fā)20個循環(huán)的（e）蒸發(fā)速率和（f）SPG的第一次和第二十次蒸發(fā)質(zhì)量變化。


圖 8 （a）SPG用于室外海水淡化的裝置工作示意圖。（b）2023年7月5日室外溫度、光照強度和（c）脫鹽水收集的變化。（d）海水淡化前后東海海水中四種主要離子（Na+、K+、Mg2+和Ca2+）的濃度測量。模擬有機(jī)染料廢水凈化前后的吸光度變化：（e）MO和（f）MB。


  總而言之，本工作通過一種簡單且可擴(kuò)展的發(fā)泡冷凍交聯(lián)法，制備了一種具有豐富互連孔結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)衍生多孔太陽能蒸發(fā)器SPG。SPG多維互連的孔結(jié)構(gòu)顯著提高了蒸發(fā)器的持水能力，并緩解了由于鹽結(jié)晶而導(dǎo)致的孔堵塞問題。SPG蒸發(fā)器具有高效的水輸送速率和耐鹽結(jié)晶性。SPG蒸發(fā)器表現(xiàn)出較高的太陽蒸發(fā)速率和能量轉(zhuǎn)換效率。此外，即使在高濃度鹽水（20 wt%）下，SPG也保持2.66 kg m-2 h-1的高蒸發(fā)率。此外，SPG表現(xiàn)出較強的機(jī)械穩(wěn)定性和耐久性。SPG具有高的太陽能蒸發(fā)能力、顯著的耐鹽性、優(yōu)異的機(jī)械性能以及長期穩(wěn)定性，使SPG在太陽能海水淡化領(lǐng)域中顯示出實際應(yīng)用潛能。


  原文鏈接：https://authors.elsevier.com/a/1iItI4x7R2gYQL

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