全球淡水短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，超過(guò)20億人無(wú)法獲得安全飲用水，而人口增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)一步加劇了這一危機(jī)。在眾多新興海水淡化技術(shù)中，界面太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生（ISSG）技術(shù)因其低能耗、無(wú)需高壓或外部熱源的特性，成為可持續(xù)生產(chǎn)清潔水的有前景方案。然而，ISSG技術(shù)在高鹽度環(huán)境（如工業(yè)廢水和濃鹽水）中仍面臨鹽積累、光吸收下降和維護(hù)成本高等挑戰(zhàn)，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

近日，悉尼科技大學(xué)付強(qiáng)博士、Huang Yuhan博士、魏薇博士合作，提出了一種基于分層結(jié)構(gòu)水凝膠的創(chuàng)新型ISSG系統(tǒng)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高鹽度海水淡化和環(huán)境能量收集。該系統(tǒng)通過(guò)具有中央垂直通道和徑向梯度孔徑的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)，成功解耦了鹽離子與水的傳輸過(guò)程：太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的流體對(duì)流將水向外輸送以蒸發(fā)，而鹽離子則向內(nèi)遷移，避免表面結(jié)晶并重新分配余熱。該系統(tǒng)在20 wt%高鹽環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)12 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率，并可連續(xù)運(yùn)行15小時(shí)無(wú)鹽積累，戶(hù)外測(cè)試中日產(chǎn)水量達(dá)67.2 L m?2，展現(xiàn)出在可持續(xù)海水淡化和工業(yè)廢水處理中的巨大潛力。相關(guān)論文以“ Decoupling Transport of Salt Ions and Water in Hierarchically Structured Hydrogel for High Salinity Desalination ”為題，發(fā)表在Advanced Materials上，論文第一作者為Shi Yihan。

研究團(tuán)隊(duì)采用聚乙烯醇（PVA）和生物炭通過(guò)靜態(tài)冷凍鑄造法制備了具有獨(dú)特分層多孔結(jié)構(gòu)的水凝膠（SPBH）。該結(jié)構(gòu)包括中央垂直通道和徑向排列的梯度孔徑通道，顯著提升了水的吸收和傳輸能力。圖1展示了SPBH的制備過(guò)程、結(jié)構(gòu)特征及其輸水機(jī)制。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，中央孔平均尺寸為0.965 μm，中間孔為4.233 μm，邊緣孔為8.583 μm，形成了從中心到外圍的梯度孔道。與水隨機(jī)孔道結(jié)構(gòu)的水凝膠（RPBH）相比，SPBH具有更優(yōu)的親水性和更快的吸水性，能在60秒內(nèi)完全飽和，并通過(guò)中央織物通道實(shí)現(xiàn)快速縱向輸水，再通過(guò)徑向孔道實(shí)現(xiàn)高效擴(kuò)散。

圖1. 3D SPBH蒸發(fā)器的制備、結(jié)構(gòu)及輸水機(jī)制。 a) SPBH制備過(guò)程示意圖；b–e) 顯示徑向多孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像和內(nèi)部照片；f) SPBH與RPBH的吸水性能，插圖為半溶脹時(shí)間和輸水速率；g) SPBH中輸水機(jī)制的數(shù)字與示意圖展示。

圖2進(jìn)一步揭示了SPBH的水活化與蒸發(fā)性能。拉曼光譜和紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜表明，生物炭成功嵌入水凝膠基質(zhì)，并展現(xiàn)出高達(dá)88.2%的廣譜光吸收率。在太陽(yáng)光照射下，3D SPBH蒸發(fā)器表面溫度甚至低于環(huán)境溫度，形成“冷蒸發(fā)”效應(yīng)，顯著提升了蒸發(fā)效率。SPBH-CG在去離子水中的蒸發(fā)速率達(dá)到9.2 kg m?2 h?1，且在高鹽條件下仍保持穩(wěn)定性能。

圖2. SPBH的水活化與蒸發(fā)性能。 a) 生物炭、PVA水凝膠和SPBH的拉曼光譜；b) PVA和SPBH的紫外-可見(jiàn)-紅外吸收光譜與AM 1.5太陽(yáng)光譜對(duì)比；c) 在空氣中一太陽(yáng)光照下2D RPBH與3D SPBH的紅外熱圖像；d) SPBH在光照下的質(zhì)量損失；e) 水的等效蒸發(fā)焓隨時(shí)間變化；f) SPBH的蒸發(fā)速率；g–i) SPBH拉曼光譜中O–H伸縮區(qū)的擬合峰，粉紅色和藍(lán)色峰分別代表自由水和中間水。

圖3研究了蒸發(fā)面積指數(shù)（EAI）對(duì)熱管理和蒸汽擴(kuò)散的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠的高度與半徑比（h/r），團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)隨著EAI增加，系統(tǒng)能從環(huán)境中吸收更多能量，蒸發(fā)速率顯著提升，最高達(dá)12.06 kg m?2 h?2，太陽(yáng)能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率甚至超過(guò)500%。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了冷表面蒸發(fā)機(jī)制，顯示蒸汽沿側(cè)壁下沉增強(qiáng)了自然對(duì)流，避免了熱積累和蒸汽滯留。

圖3. 蒸發(fā)面積指數(shù)（EAI）對(duì)SPBH-CG熱與蒸汽擴(kuò)散的影響。 a) 不同高度SPBH-CG在一太陽(yáng)下的側(cè)表面紅外熱圖像；b) 表面和側(cè)溫度在60分鐘內(nèi)的變化；c) SPBH-CG的蒸發(fā)速率；d) 先進(jìn)3D蒸發(fā)器蒸發(fā)速率與EAI的關(guān)系；e) CFD模擬顯示SPBH-CG周?chē)臏囟取⑺魵赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)和流速分布。

圖4展示了SPBH-CG的耐鹽性與運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)建立徑向鹽度梯度，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的鹽排斥機(jī)制，能在0–20 wt%鹽度范圍內(nèi)保持約9.5 kg m?2 h?1的高蒸發(fā)速率，并在多次循環(huán)中表現(xiàn)穩(wěn)定。在20 wt%鹽水中連續(xù)運(yùn)行15小時(shí)后未觀察到鹽結(jié)晶，而對(duì)照組在6小時(shí)內(nèi)即出現(xiàn)顯著沉積。此外，系統(tǒng)還成功實(shí)現(xiàn)了零液體排放（ZLD）脫鹽，所有礦物質(zhì)被保留，淡水被完全蒸發(fā)收集。

圖4. SPBH-CG的耐鹽性與運(yùn)行穩(wěn)定性。 a) 離子在縱向和橫向截面中的傳輸示意圖；b) 不同鹽度下SPBH-CG3的蒸發(fā)速率；c) 與其他耐鹽蒸發(fā)器的性能對(duì)比；d) 在3.5 wt%和20 wt%鹽度下7個(gè)循環(huán)的蒸發(fā)速率，插圖為運(yùn)行15小時(shí)前后的SPBH-CG3；e) 在海水中的長(zhǎng)期性能；f) 在20 wt% NaCl溶液中兩太陽(yáng)光照下的ZLD蒸發(fā)速率。

圖5展示了集成冷凝與通風(fēng)模塊的戶(hù)外大規(guī)模系統(tǒng)性能。在悉尼進(jìn)行的實(shí)地測(cè)試中，該系統(tǒng)在自然海水條件下實(shí)現(xiàn)了67.2 L m?2的日淡水收集量，收集效率達(dá)81%，并且產(chǎn)水中的離子濃度符合世界衛(wèi)生組織（WHO）飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

圖5. 戶(hù)外大規(guī)模系統(tǒng)與脫鹽性能。 a) 戶(hù)外“蒸發(fā)-冷凝-收集”裝置示意圖；b) 實(shí)際裝置照片；c) 室外光照、濕度和溫度隨時(shí)間變化；d) 海水中金屬離子濃度降至WHO標(biāo)準(zhǔn)以下（灰色虛線）；e) 8小時(shí)戶(hù)外測(cè)試中的淡水生產(chǎn)率。

該項(xiàng)研究成功開(kāi)發(fā)出一種具有分層多孔結(jié)構(gòu)的3D水凝膠蒸發(fā)器，有效解決了高鹽環(huán)境下鹽積累與蒸發(fā)效率之間的矛盾。其冷表面設(shè)計(jì)優(yōu)化了熱管理，提升了能量利用效率，實(shí)現(xiàn)了在多種鹽度條件下的高效、穩(wěn)定蒸發(fā)，為零液體排放和可持續(xù)水資源管理提供了可靠路徑。未來(lái)，該技術(shù)有望在分布式海水淡化、工業(yè)廢水處理和礦物質(zhì)回收等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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