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長安大學(xué)白波教授團隊 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)太陽能海水淡化對于緩解全球淡水危機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，鹽的積聚會阻塞蒸發(fā)通道，使蒸發(fā)速率嚴重下降。在追求理想蒸發(fā)性能的同時，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 受紅樹林拒鹽機制啟發(fā)的PAAS-CLF蒸發(fā)器靈感來源


  近日，長安大學(xué)白波教授團隊以自然植物紅樹林的拒鹽機制為靈感來源，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+會產(chǎn)生Donnan電勢，阻止鹽水溶液界面附近的鹽離子進入蒸發(fā)器中，使其具有卓越的耐鹽性能。同時，天然絲瓜絡(luò)基體獨有的分級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個太陽光照下，PAAS-CLF的水蒸發(fā)速率為1.83 kg m-2 h-1，對應(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)異的水運輸能力和理想的蒸發(fā)性能。通過DSC和Roman光譜表征進一步研究了蒸發(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理


  此外，還進行了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)對鹽離子排斥的機制，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）具有的電勢誘發(fā)了Donnan效應(yīng)。因此，進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。


  這項工作提供了一種獨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）。長安大學(xué)博士研究生王雪純為第一作者，長安大學(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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