清洁水循环利用是备受关注的世界问题。一直以来，人们呼吁将海水或废水净化，以减少能源消耗并降低对水环境的负面影响。太阳能的可持续性和环境友好性使太阳能蒸馏技术备受关注。经济适用及高质量的太阳能净水系统还需突破，以实现有效的能量收集，转化以及高净水率。为了克服太阳光散射而减少所提供的动力，各种吸光材料被开发，如通过调节纳米材料的尺寸和形态来收集整个太阳光。2月，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队在《Advanced Materials》期刊发表了题为”Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification”的论文，文中，作者报道了一种经济节约、高水分蒸发率、可有效去除重金属离子和有机色素的水凝胶蒸发器。
1、如何制造水凝胶蒸发器（HHE）
具体而言，作者将可再生生物质葡甘露聚糖（KGM）与太阳能吸收剂（铁基金属有机骨架（Fe-MOF））引入PVA网络，从而形成了低成本的混合水凝胶蒸发器（HHE）（图1）。由于出色的隔热性能，KGM不仅有助于促进大孔/中孔结构的水传输，还为水凝胶提供了更多的水合能力，从而降低蒸发焓。另外，通过磁体辅助制造，可控制磁性太阳能吸收器的空间分布，以改善蒸发表面的热定位，并将太阳能吸收器的使用量减少到目前水凝胶蒸发器的三分之一。 HHE成本低，每平方米仅为$14.9，每小时就可提供高达3.2kg的高水分蒸发率。KGM含过量羟基，HHE通过形成氢键和螯合键有效去除重金属离子和有机色素，在数量和质量上都非常满足社区对纯净水水的需求。
图1.HHE净化太阳能水的示意图。a）MOF吸收器位于水凝胶蒸发器的顶面，以将太阳能转换成热能并就地产生蒸气。b）HHE通过一步吸附法可去除重金属离子和有机色素。
2、凝胶蒸发器（HHE）的基础表征
HHE是通过PVA和KGM与碳化的Fe-MOF纳米粒子作为太阳能添加剂的凝胶化合成的（图2a）。使用磁铁将吸收剂颗粒吸到蒸发器的一侧，减少HHE实现高太阳吸收所需的颗粒量（图2b）。垂直管状互连通道（图2c）有助于通过毛细作用力进行水传输。FTIR光谱用于分析HHE的化学成分（图2e），在KGM（绿色曲线）光谱中，位于2876、1722和1642cm-1的红外吸收峰分别是甲基的C-H键，羰基的C-O键和羟基的C-O键。KGM的特征吸收带出现在873和800cm-1处。PVA的特征峰（蓝色曲线）在1096cm-1，表明C = O拉伸。粉色曲线代表HHE光谱，OH基团在3420cm-1表明在PVA中-OH（3390cm-1）和KGM（33445cm-1）之间形成了氢键（图2e中的插图）。HHE包含KGM和PVA的特征峰的组合，证实了杂化聚合物网络。HHE和对照样品（含吸收剂的纯PVA水凝胶）均具有更高的储能模量（G'）值，表明水凝胶的交联聚合物骨架（图2f）。通过引入KGM组分，HHE的G'和G''高于对照组水凝胶，杂化水凝胶的更强的机械强度，太阳能吸收剂被渗透到混合聚合物网络中。
图2.混合水凝胶蒸发器（HHE）的制备和表征。a）制造辅助磁体。b）HHE样品照片。c）-d）SEM图像。e）纯PVA（蓝色），纯KGM（绿色）和HHE（粉红色）的FTIR光谱。f）PVA /吸收剂水凝胶和HHE的储能（Gʹ）和损耗模量（Gʺ）。
3、凝胶蒸发器（HHE）的吸水量及传输速率的研究
水凝胶材料作为太阳能蒸发器的优势是其可调的水含量和传输速率，可从蒸发器的底部到表面提供充足的水。通过增加KGM/PVA比值（HHE1，HHE2和HHE3分别为KGM/PVA重量比为0：10、0.05：10和0.16：10），可以减少HHE从半饱和状态达到完全膨胀状态所需的时间（图3a）。因此，通过增加KGM/PVA比值，可以将HHE的水传输速率（饱和水含量除以半溶胀时间）从0.08调整为0.19g/min。除了可调水传输外，HHE具有先进的热定位效果。HHE低热导率对于最大程度地减少对水热量散失。由于含水量增加引起聚合物链的拉伸，所有三种完全溶胀的HHE的热导率均高于其半溶胀状态（图3b）。通过增加杂化水凝胶中KGM的比例，HHE的热导率可以在半膨胀状态下从0.52W/mK调节到0.10W/mK，在完全膨胀状态下可以将1.08W/mK调节到0.25W/mK。在产生太阳蒸气的过程中，导热系数最低的HHE3可以阻止热量扩散到水中（图3b）。在UV-vis-NIR光谱（图3c），HHE在400至2500nm的宽波长范围内均具有出色的太阳吸收特性（≈98％）。HHE的光热行为被研究（图3d）。所有HHE在开始的5分钟内都会出现表面温度升高，并在20分钟后最终达到平衡温度（31°C）。由于蒸发诱导的冷却效果，HHE3在30.3°C时显示出较低的稳态表面温度。在一次阳光照射下，HHE3的连续红外图像证实平衡温度分布和热定位效果（图3e）。COMSOL模拟控制模型（具有均匀分布的吸收剂的纯PVA水凝胶）和HHE3的温度分布（图3f）表明在水凝胶蒸发器顶部引入KGM和吸收剂后明显的热局部化效果。
图3.HHE的水输送和热管理。a）从半饱和状态到完全饱和状态所需时间和HHE的水传输速率。b）在半膨胀和完全膨胀状态下测得的HEE的热导率。c）UV-vis-NIR光谱。d）在一次阳光照射下，水凝胶蒸发器表面和水的温度。e）红外图像显示温度分布。f）COMSOL模拟控制模型（具有均匀分布的吸收剂的纯PVA水凝胶）和HHE3的温度分布。
4、凝胶蒸发器（HHE）的海水及废水净化性能
接下来，在盐度为0至420（g/kg）的海水和pH0至14的废水中评估HHE3的脱盐性能（图4a）。在室温下海水的盐度达到350（g/kg）以上才对蒸发速率起作用。在pH2至14的pH值范围内（通常涵盖所有家庭和工业废水条件），HHE可发挥作用。pH低于2可能导致KGM降解，从而降低HHE的总体蒸发速率。ICP-MS结果显示（图4b），墨西哥湾的海水样品中四种离子（Na+，Mg2+，K+和Ca2+）的浓度显着降低了3-4个数量级，该浓度远远低于WHO的饮用水标准。此外，水凝胶本身具有抗盐垢能力。在HHE中，加到HHE表面上的盐晶体（NaCl）在30分钟内可被自动清除（图4c）。HHEs可吸附水中的金属离子和有机染料。图5d表明HHE3在水样中漂浮2小时后，水中金属离子（Cd2+，Cr3+，Cr6+，Cu2+，Ni2+，Ag+，Zn2+，Pb2+，Se2+，As5+，Hg2+）浓度降低了4-7个数量级。由于KGM的-OH基团能够与有机染料的叔胺基团的氮原子和磺酸基团的氧原子形成氢键，水样品中的甲基蓝的颜色逐渐消失（图4e）。另外，HHE有高吸附能力，Fe-MOF纳米颗粒具有负表面电荷，高表面积及较宽的孔径分布。比较图4d，f的ICP结果，在水蒸发过程中，重金属离子的浓度进一步降低了2-3个数量级。因此，在一步吸附和太阳蒸馏同时进行后，重金属离子的总浓度降低了六到九个数量级（图4f）。由于吸附作用，Hg2+的浓度降低了七个数量级。HHE上纯化还能将有害细菌（大肠杆菌和大肠菌）降低到Test Assured（美国）提供的饮用水标准以下（图4g）。
图4. HHE的水净化性能。a）在不同盐度和pH范围内评估蒸发性能。b）在海水样品中的脱盐性能。c）在盐晶体中，HHE的防盐垢性。d）HHEs在水中吸附重金属离子。e）HHEs去除水溶性有机染料。f）太阳能蒸馏后，HHE3去除总重金属能力。g）使用HHE3在太阳能蒸馏后，对样品水中细菌含量的测试。
总而言之，HHE即使在高盐度盐水和废水处理下，也能以每小时每平方米蒸发3.2kg水的速率实现90％的太阳蒸发效率。在成本效益方面也优于大多数报道的太阳能蒸发器。廉价的生物质KGM增强了水凝胶用于水活化的水合能力，并能有效去除污染物。HHE的强大净化性能诸如海水淡化，海盐生产，废水处理和金属提取等各种实际应用中具有巨大的潜力。
余桂华研究小组专注于低维纳米材料和纳米结构的创造性合成，这些新型合成材料的化学和物理性质的基础研究，以及这些合理设计的纳米材料的进一步实施，以应对与能源相关的各种领域的关键科学和技术挑战，从包括电池，超级电容器的储能系统到热电和燃料电池等能量转换系统。余教授研究计划的最终目标是通过了解和控制电子，热，电化学和界面特性，开发下一代高性能，基于纳米材料的可再生能源设备。
课题组网页：http://yugroup.me.utexas.edu
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.201907061
来源：高分子材料科学
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