清华大学危岩教授、李若馨博士 AFM：具有快速自清洁能力、耐盐性和高蒸发效率的整体式亲水聚合物泡沫用于海水淡化

2024-08-27 来源：高分子科技

太阳能界面海水淡化技术作为绿色、经济的淡水生产方法，具有巨大的发展潜力。然而在连续式的海水淡化过程中，蒸发器的表面会出现盐沉积的问题，减小了光热活性表面积并堵塞水蒸气的输送，导致蒸发速率的急剧下降，降低了蒸发器的使用寿命，从而限制该技术的发展。目前，如何实现界面蒸发器长期稳定抗盐性能且不牺牲蒸发性能是一个亟待解决的技术难题。

日前，清华大学危岩教授、李若馨博士与其合作者报道了一种高水通量（~14.4 L m^-2 h^-1）的单组分整体式蒸发器，能在聚合物表面形成稳定的水膜，该蒸发器通过内部盐浓度差和外部马兰戈尼效应驱动的离子对流的协同作用下，实现了卓越的耐盐性和表面自清洁能力。相关论文以题为Hydrophilic Polymer Foam as a Monolithic Interfacial Solar Evaporator With Rapid Self-Cleaning, High Evaporation Efficiency, and Salt Resistance发表在《Advanced Functional Materials》上。

研究团队采用盐模板法，以苯胺三聚体为光热组分，制备了整体式聚合物泡沫蒸发器。通过SEM表征手段，证实了具有多孔结构的蒸发器的成功制备。该蒸发器表现出了稳定的类水凝胶的溶胀-收缩行为，在溶胀状态下能有效扩大光热活性面积。

图1 多孔聚合物泡沫蒸发器的结构表征与溶胀行为

此蒸发器具有高效和宽带的光学吸收能力，在整个太阳光谱范围内（从250到2500 nm）的平均吸收率为98.8%。在1个太阳光强辐照下，该蒸发器在15 s内迅速升温至46.0 ℃，在6 min后升温至73.1 ℃并保持稳定。通过基于水凝胶的结构设计策略，该蒸发器具有水通量为14.4 L m^-2 h^-1，最大含水量为2.86 g g^-1。通过接触角表征证明了该蒸发器的亲水性与快速的水传输能力。得益于优秀的光热和水管理能力，该蒸发器在1个太阳光强下实现了3.47 kg m^-2h^-1的高蒸发速率和94.3%的高蒸发效率，超越了多数之前报道过的整体式蒸发器。该蒸发器具有长期稳定性，在400个循环测试后，蒸发速率基本保持不变。在不同溶液的蒸发测试中，该蒸发器的蒸发速率为2.92-3.23 kg m^-2h^-1，蒸发效率为79.3-87.7%，这表面该蒸发器有潜力应用于生活和工业废水的高效处理。

图2 多孔聚合物泡沫蒸发器的光热与水管理能力

图3 多孔聚合物泡沫蒸发器的蒸发性能

该蒸发器通过内部盐循环和外部基于马兰戈尼效应驱动的对流运动的协同作用，实现了卓越的耐盐性和表面自清洁能力。将33%质量分数的氯化钠颗粒置于蒸发器表面，在模拟海水中（3.5%盐度）与1个太阳光强的照射下，蒸发器表面的氯化钠颗粒在1.25 h后完全去除。在25%质量分数的近饱和盐水中，与黑色PE泡沫作对比，在连续12h的1个太阳光强的照射下，无论是盐水表面和PE泡沫表面均出现了盐沉积，而在该蒸发器表面没有观察到任何盐沉积。通过照片拍摄证实了该蒸发器能在表面形成一层水膜，水膜的厚度约为 200 μm。在实际脱盐过程中，蒸发器表面的盐度会继续增加，超过水体的盐度，从而形成表面张力梯度，这种表面张力梯度可引起马兰戈尼对流，输送蒸发器表面的盐分至水体，从而防止盐分结晶。

图4 多孔聚合物泡沫蒸发器的耐盐性与自清洁能力

海水淡化过程实际是水分子从液态转变为气态的相变过程，该过程所需能量即为蒸发焓。在相变过程中，水分子与周围水分子发生氢键断裂，因此降低氢键断裂所需的能量，能促进水分子的蒸发。该蒸发器网络具有丰富的含氧官能团，可以与水分子形成弱氢键作用，促进中间水的形成。DSC测试中的尖锐吸热峰证实了中间水的存在，且其蒸发焓相比纯水大幅降低，促进了水的蒸发。

图5. 多孔聚合物泡沫蒸发器中的水。

该研究团队开发出了一种高效耐盐的聚合物泡沫蒸发器，它具有高光学吸收率、出色的光热转换效率。该蒸发器是一种单层、多孔、亲水的整体蒸发器，具有高效水传输能力和高效的蒸发性能，在1个太阳光强下实现了3.47 kg m-2 h-1的高蒸发速率和94.3%的高蒸发效率。通过设计具有亲水性成分的三维网络结构，可以调整蒸发器中水的结合状态，从而将蒸发焓大大降低到 978 J g^-1。多孔结构和亲水成分也促进了水在蒸发器表面和水体之间的对流，为蒸汽产生提供了高效稳定的水供应（14.4 L m^-2 h^-1），同时避免了盐在表面结晶。该蒸发器在高浓度盐水（25%）中展现了卓越的抗盐能力。以上证实了该蒸发器具有生产纯水以缓解水资源短缺的潜力。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410729

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（责任编辑：xu）

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