长安大学白波教授团队 CEJ：一种基于唐南效应的聚电解质水凝胶涂层丝瓜络海绵蒸发器-用于高浓度盐水淡化

2023-03-11 来源：高分子科技

界面蒸发太阳能海水淡化对于缓解全球淡水危机来说是一种很有前景的低成本方式。由于产生清洁淡水的巨大潜力，太阳能驱动的界面脱盐(SDID)作为一种碳足迹最小的水处理方法正在蓬勃发展。然而，在海水淡化过程中，盐的积聚会阻塞蒸发通道，使蒸发速率严重下降。在追求理想蒸发性能的同时，蒸发器能够在较高浓度盐水蒸发中保持耐盐性能也备受关注。

图1 受红树林拒盐机制启发的PAAS-CLF蒸发器灵感来源

近日，长安大学白波教授团队以自然植物红树林的拒盐机制为灵感来源，以具有天然3D网络结构的丝瓜络海绵（LF）为基体，聚丙烯酸钠水凝胶（PAAS）作为涂层包覆，通过原位聚合的方法，开发了一种具有Donnan效应的聚电解质水凝胶蒸发器（以下简称为PAAS-CLF）。此蒸发器的顶部碳化层具有优异的光吸收和光捕获能力，可作为光吸收层。在蒸发器的微通道中，受限制的反离子Na⁺会产生Donnan电势，阻止盐水溶液界面附近的盐离子进入蒸发器中，使其具有卓越的耐盐性能。同时，天然丝瓜络基体独有的分级多孔通道可以有效地使蒸发过程中产生的蒸汽逸散。在1个太阳光照下，PAAS-CLF的水蒸发速率为1.83 kg m^-2 h^-1，对应于94.54%的蒸发效率。更重要的是，这种基于Donnan效应的聚电解质蒸发器能够抵抗82%以上的盐离子，并且在盐度较宽范围（35–200 g kg^?¹）的盐水中保持1.45 kg m^-2 h^-1以上的蒸发速率，确保了蒸发器在高浓度盐水中仍保持理想的蒸发性能。

图2 PAAS-CLF蒸发器的制备工艺

图3 PAAS-CLF蒸发器的界面太阳能蒸发性能

研究发现PAAS-CLF具备良好的吸光性能、优异的水运输能力和理想的蒸发性能。通过DSC和Roman光谱表征进一步研究了蒸发器中自由水(FW)、中间水(IW)和结合水（BW）中氢键的状态，表明聚电解质水凝胶的网络结构还可有效降低蒸发焓，提高蒸发速率。除此之外，还探究了聚电解质水凝胶浓度、凝胶涂层厚度、蒸发器孔隙度演变情况等对PAAS-CLF蒸发性能的影响。

图4 PAAS-CL蒸发器的耐盐性能

图5 PAAS-CLF蒸发器基于多南效应的太阳能海水淡化机理

此外，还进行了PAAS-CLF蒸发器在高浓度盐水中耐盐性能的探究。为了阐明Donnan效应对盐离子排斥的机制，研究还建立了蒸发器表面盐离子浓度与供水层中盐离子浓度的函数关系，并证明了聚电解质水凝胶具有耐盐性能的原因是由于多孔结构中被限制的Na⁺（反离子）具有的电势诱发了Donnan效应。因此，进入到供水层中的盐离子数量可通过Na⁺（反离子）的浓度来调控。

这项工作提供了一种独特的耐盐性太阳能海水淡化蒸发系统的构建方法，通过聚电解质水凝胶包覆天然生物质多孔材料，制备出低成本，绿色可再生的蒸发器，可有效满足海水淡化及高浓度盐水的净水要求。该成果发表在《Chemical Engineering Journal》上，题目为“A polyelectrolyte hydrogel coated loofah sponge evaporator based on Donnan effect for highly efficient solar-driven desalination”（DOI: 10.1016/j.cej.2023.142265）。长安大学博士研究生王雪纯为第一作者，长安大学白波教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142265

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（责任编辑：xu）

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