热定位太阳能淡化，可回收的海洋生物质衍生水凝胶光热蒸发器

研究背景

随着工业的迅速发展和人口的不断增长，水资源短缺危机也日益加剧。反渗透和热蒸汽蒸馏等技术是解决该问题的有效途径。但它们的高耗电量和复杂的基础设施阻碍技术的大面积推广。基于此，研究人员提出了经济上可行、具有较高的淡水产量和有保证的水质的太阳能海水淡化系统。最新研究发现，基于水凝胶的蒸发器蒸发速率高达4.0kg m 2 h 1（1kW m 2）展现出了良好的前景。然而，水凝胶蒸发器仍然面临成本效益、可回收性和资源可持续性问题。为此，美国东北大学的Yi zheng教授团队提出了一种有效的海洋生物量衍生水凝胶太阳能蒸发器，用于连续和长期脱盐。通过冰模板自组装和冻干辅助在琼脂水凝胶中形成垂直微通道来实现制造。具有高效光热转换、充分水传输、快速盐排放、长期稳定等优点。为工业太阳能蒸发和海水淡化提供了新的思路。

相关研究成果以题为“Recyclable and efficient ocean biomass-derived hydrogel photothermal evaporator for thermally-localized solar desalisation”发表在国际期刊《Desalination》（IF=11.211）上。

研究内容

本文以海洋生物衍生水凝胶为原料制备太阳能蒸发器。该蒸发器在一个太阳光下可实现5.15 kg m 2 h 1的蒸发速率，91%的蒸发效率。该蒸发器高效的蒸发能力源于垂直排列的通道内可调的水输送。它通过单向水通道中的强毛细作用增强吸水性，实现了从储水器到蒸发表面的快速吸水。并且聚合物网络中的饱和水含量可以通过改变原始水凝胶溶液的浓度来调节。再加上嵌入聚合物琼脂壁的TiN纳米颗粒作为光热材料，可以诱导0.98的太阳吸收率。在吸收太阳能后，这些纳米颗粒将热量传递到周围的琼脂和水中蒸发。垂直通道中的毛细作用和离子扩散有利于蒸发盐水中的盐排出，以防止盐积聚，从而确保持续快速的太阳能脱盐。

ATHEs的多孔结构促成它们的低热导率，从而能够将热能限制在水/空气界面区域内动力水蒸发，蒸发焓显著降低。此外，通过集成冰模板诱导的自组装和冷冻干燥过程，开发了一种用于制造具有垂直对齐和可控隧道的海洋生物质衍生水凝胶蒸发器的策略。采用棉花作为输水和排盐通道、使用PS泡沫作为ATHEs和膨胀水之间的隔热层的间接供水方法和热定位策略，并且利用PE泡沫作为ATHEs和周围空气之间的隔热层，成功地减少了大量水和周围空气的热损失。利用以上讨论的这些策略，在一个太阳辐照度（1 kW m-2）下，通过该光热蒸发器实现5.15 kg m 2 h 1的水蒸发率和4.0kg m-2 h-1的太阳能脱盐率。

此外，我们验证了重复的冻融过程以及去除时间和成本无效的冷冻干燥过程仍能产生3.39 kg m-2 h-1的脱盐率。大规模的制造演示、高可回收性潜力以及大量可用的琼脂原料使ATHEs成为工业太阳能蒸发和海水淡化应用的理想选择。

研究数据

图1. 太阳能淡化和ATHEs制造的示意图。（a） 太阳能淡化中涉及的ATHEs的示意图。ATHEs吸收太阳辐射，漂浮在海面上产生淡水。蒸发发生在ATHEs顶面上，水势差将水泵送到顶部界面蒸发区域。ATHEs的主要原料是琼脂，从海藻中提取，如无球藻和纤毛藻，具有垂直排列的供水通道。

（b） 具有垂直排列的光捕获通道的聚合物低温凝胶有效地吸收太阳通量。这些渠道同时充当抽水和盐消散通道。低热导率的多孔结构将热量集中在水/空气界面的小区域。（c） 实验装置示意图。漂浮在水面上的PS泡沫起到了隔热层的作用，以减少从ATHEs到散装盐水储层的散热。棉布用于向ATHEs供水并将盐消散到散装盐水中。ATHEs由PE泡沫包围，以防止蒸汽从侧壁扩散，并将热量定位在ATHEs内。

（d） 大型琼脂/碳水凝胶蒸发器片的照片及其在曲面上应用的灵活性。（e） ATHEs是通过冰模板诱导的自组装和冷冻干燥过程合成的。

图2. ATHEs的自组装制造和特性。（a） ATHE 2在干燥和完全肿胀状态下的照片。（b） 顶视图SEM图像显示了ATHEs和琼脂壁的多孔结构。（c） ATHEs的横截面说明了水运输的垂直通道和粗糙表面，其中TiN纳米颗粒嵌入琼脂壁中。方形虚线圆圈是水道。（d） SEM图像显示了TiN纳米颗粒的表面形貌。（e） 纯琼脂、TiN和ATHE 2的FTIR和（f）XRD光谱。

图 3. ATHEs的可调吸水率和热管理。（a） 纯琼脂和ATHEs对AM 1.5光谱辐照度的太阳吸收率（ASTM G 173）。（b） ATHEs的角度相关平均太阳吸收率。（c） ATHE 2的动态水接触角测量。比例尺为3 mm。（d）通过高速相机以2997 FPS的速率记录的ATHE 2的快速吸水行为。（e） ATHEs的膨胀行为和饱和含水量。（f） ATHEs在干燥和完全膨胀状态下的热导率。（g） 水、棉布上的纯琼脂、与水直接接触的ATHE 2和供水棉布顶部的ATHE2的温度变化。（h） 和（i）阐明ATHE 2在0、10、30和60分钟的照明时间内的温度分布的热图像（白色十字表示ATHE2的中心）。（h） ：ATHE 2直接与散装水接触；（i） ：ATHE 2放在棉抹布上，用PS泡沫作为隔热材料。比例尺为2厘米。

图4. ATHEs的太阳能淡化评估。（a） 纯水的质量变化，与水直接接触的ATHE 2，以及在一个太阳下以棉擦拭物作为供水路径的ATHE 2。（b） 纯水、纯琼脂和ATHEs在一个太阳下的质量变化。（c） 不同太阳强度下ATHE 2的蒸发速率。（d） 黑暗环境中水的蒸发速率和计算的ATHEs的等效焓。（e） 使用不同盐度的纯水和NaCl溶液对ATHE 2的质量变化。（f） ATHE 2的稳定性试验持续15小时（1个循环为1小时）。

图5. ATHEs的盐排斥、可回收性和可扩展制造。（a） ATHE 2的盐排斥实验，在一个阳光下初始存在1g盐。比例尺为2厘米。（b） 海水淡化前后的盐度。（c） 原始ATHE 2、再循环的ATHEs和通过重复冻融过程制造的ATHEs的蒸发速率。（d） 原始和回收的ATHE 2的FTIR光谱。（e） 将ATHE 2浸入3.5 wt%NaCl溶液中30天的长期蒸发速率。（f） ATHE 2和其他先前报道的设备之间的水分蒸发率比较。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0011916421005208

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