河北工大张盼盼/纪志永教授团队、清华大学曲良体教授 Nano Lett.：强氢键修复且具有重构宽排盐通道的太阳能蒸发器用于可持续海水晒盐

2024-09-14 来源：高分子科技

全球淡水资源严重短缺，海水淡化为解决淡水资源匮乏问题提供了一种有效途径。而海水淡化过程中产生大量浓盐水，直接排放对海洋生物和生态环境造成巨大的危害。浓盐水在固体盐生产、氯碱化工产品制造以及矿物资源提取等方面有广泛应用。根据国际盐业联合会的数据，全球太阳能海水晒盐的产量在2019年创下了3.2亿吨的历史新高。传统的太阳能海水晒盐利用蒸发池通过持续的太阳光照射来蒸发水分，促进海水逐渐浓缩和固体盐结晶。尽管以上方式具有较低的成本，但效率低下且需占用大量土地。因此，亟需提高太阳能海水晒盐的效率，以缓解日益紧张的能源-资源压力。太阳能界面水蒸发技术（ISVG）具有更加高效、快速进行海水晒盐的潜力。但在严苛环境下（例如，低温）下，光热材料的耐用性和适用性令人担忧。因此，开发同时具备可扩展性、适应性和耐用性的太阳能蒸发器，以促进高效的海水浓缩和固体盐结晶过程，仍然是一个显著的挑战。

文章亮点

近日，河北工业大学张盼盼副教授/纪志永教授团队、清华大学曲良体教授开发了一种强氢键修复、宽温度范围适用、高抗盐的石墨烯/海藻糖/聚丙烯酰胺水凝胶（PTGH）作为太阳能蒸发器用于可持续海水晒盐（图1）。其中，海藻糖富含羟基（–OH）可通过形成强氢键作用修复聚丙烯酰胺（PAAm）聚合物网络，使得 PTGH 具有强韧性、可拉伸性和耐低温性能。通过相对低温定向冷冻铸造工艺，精确调控PTGH 内冰晶的生长速度，重构宽排盐通道，加快离子快速对流/扩散，提高太阳能蒸发器耐盐性能。在一个太阳光强度下，PTGH 在室温环境下水蒸发速率可达2.82 kg m^–2 h^–1，即使在低温环境下（?20^oC?0^oC），水蒸发速率也能保持在0.92?1.34 kg m^–2 h^–1。在室外连续海水晒盐过程中，PTGH 能够持续运行，直至原盐水溶液高度浓缩，最终将固体盐从水中分离出来。与传统的日晒海水过程相比，可节省 66.67%?75% 的时间或土地消耗。该工作以“Hydrogen Bond Repairing Solar Evaporator with Reconstructed Large-Width Channels for Durable Solarizing Seawater”为题发表在《NANO LETTERS》上。

图 1. PTGH 用于高效、可持续海水晒盐示意图

该团队创新地提出了相对低温定向冷冻铸造工艺重构具有宽排盐通道的太阳能蒸发器（图2）。通过精确调控PTGH内冰晶生长，重构通道的宽度可加宽至500 μm，有利于提高导水性能，加速盐离子的对流/扩散以增强太阳能蒸发器的耐盐性能。其次，海藻糖作为PAAm聚合物网络的修复剂，可通过强氢键作用与PAAm的长聚合物链形成多个相互作用点，使其具有优异的机械性能，包括强韧性和可拉伸性，并确保即使在低温环境下也能正常运行，增强PTGH作为太阳能蒸发器在各种严苛环境实际应用性能。

图2 PTGH制备流程和表征

PTGH在太阳光全光谱范围内（250?2500 nm）表现出99%的光吸收率。海藻糖丰富的羟基可与水分子相互作用，从而调控PTGHs内水的状态，降低水的蒸发焓（图3），在室温环境中一个太阳光强度照射下，PGH和PTGHs的表面温度稳定在34.7?36.6 °C范围内。PTGH3具有最优水蒸发率2.82 kg m^–2 h^–1，为纯水的6.22倍。PTGH3的太阳能利用效率高达98.5%。在连续照射120 h后，浸入水中重新膨胀，PTHG3的机械性能仍然保持良好。即使在低温下（?20^oC?20^oC），PTGH3也能表现出32.4%?91.5%范围内的太阳能利用效率。

图3 室温和低温环境下PTGHs的 ISVG 性能

通过相对低温定向重构的宽排盐通道可加速了盐离子对流/扩散，实现PTGH3的长期耐盐性能（图4）。在3.5wt%盐水中进行连续水蒸发测试，PTGH3表现出2.78 kg m^–2 h^–1的稳定水蒸发速率，且表面没有明显的盐结晶析出。在连续使用60天（3.5 wt%盐水，每天12 h），其水蒸发速率仅有略微下降，从 2.82 kg m^–2 h^–1到 2.51 kg m^–2 h^–1。即使在 25 wt% 的高盐度溶液中，PTGH3 也具有出色的耐盐性。将PTGH3 用于连续太阳能海水晒盐，随着初始盐度为 3.5 wt%海水的不断浓缩，固体盐颗粒首先在玻璃烧杯表面结晶，直到100%的水蒸发并且所有固体盐晶沉淀出来，PTGH3表面也没有明显的固体盐堆积。

图4 PTGH3用于长时间海水晒盐性能

开发的 PTGH3 易于大规模制备，原材料成本低至 2.4218 $ m^?2，能够在不同环境下进行实际应用（图5）。在环境温度为28 °C左右的夏季测试中，PTGH3的水蒸发速率略高于实验室测量值，主要归因于室外高温和风对流促进水蒸气扩散和加速水分蒸发。在冬季室外环境温度为?5 °C?4 °C时，PTGH3经过多次冻融后仍然能够保持结构完整性，表现出优异的耐低温性能。

图5 PTGH3在不同室外环境下用于长时间海水晒盐

通过氢键修复和相对低温定向重构策略构建的PTGH为连续太阳能海水晒盐提供了新的思路。PTGH展示了其对各种环境挑战的适应性和耐用性，具有优异的水蒸发性能，可以处理高盐度溶液用于固体盐生产。传统的蒸发池海水晒盐相比，基于PTGH海水晒盐效率高出约3?4倍，可节省 66.67%?75%的时间或土地成本。这项工作也同样为高效太阳能的利用、海水浓缩甚至固体盐结晶领域提供了另一种途径。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03179

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（责任编辑：xu）

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