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中國(guó)海洋大學(xué)徐曉峰教授課題組 ACS AMI：可控制備海洋生物質(zhì)復(fù)合材料氣凝膠微球-實(shí)現(xiàn)界面光熱、離子吸附和土壤改良多功能應(yīng)用

2022-11-04 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：天然高分子氣凝膠微球太陽能界面蒸發(fā) 離子吸附光熱轉(zhuǎn)化植物栽培水體修復(fù)

近年來，基于“可再生能源”的高效、安全可靠、低碳環(huán)保和可持續(xù)的水凈化新技術(shù)對(duì)解決日益嚴(yán)重的飲用水危機(jī)具有重要的意義，得到了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注和重視。太陽能因具有分布廣泛、可持續(xù)和無污染等優(yōu)點(diǎn)是真正意義上的綠色能源。將太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)（光伏和光熱技術(shù)）與水凈化技術(shù)結(jié)合是解決飲用水資源短缺很有前景的方法，在太陽輻照豐富、能源短缺、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)很有應(yīng)用潛力，已成為水凈化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。太陽能界面光熱轉(zhuǎn)換與水蒸發(fā)已成為一種新型、可持續(xù)和無污染的清潔水生產(chǎn)技術(shù)。目前，針對(duì)一體式三維界面蒸發(fā)器的快速、大量和形狀可控制備與多功能集成應(yīng)用仍存在諸多挑戰(zhàn)。

圖1 本研究開發(fā)的基于海洋生物質(zhì)復(fù)合材料的氣凝膠微球的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能簡(jiǎn)介

近期，中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院徐曉峰教授課題組基于天然高分子復(fù)合材料“可控”制備了一種氣凝膠光熱微球，該微球由改性的纖維素、質(zhì)子化的殼聚糖、納米碳粉共混組成（圖1）。基于復(fù)合海洋多糖開發(fā)的光熱氣凝膠微球首次實(shí)現(xiàn)了太陽能界面水蒸發(fā)、水體中富營(yíng)養(yǎng)鹽吸附和營(yíng)養(yǎng)元素緩釋等方面的應(yīng)用。具體的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為：（1）可連續(xù)制備形狀可控的凝膠球：季銨鹽改性的微晶纖維素與質(zhì)子化殼聚糖結(jié)合形成具有pH響應(yīng)的復(fù)合凝膠，能夠在堿性條件下實(shí)現(xiàn)快速凝膠化；（2）高效的太陽能界面水蒸發(fā)：復(fù)合氣凝膠微球與3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三維界面蒸發(fā)器能夠協(xié)同管理浮力、水的擴(kuò)散、熱分布和熱損失，在1個(gè)太陽下，水的蒸發(fā)速率達(dá)1.62 kg m^-2 h^-1；（3）高效吸附水體中的磷元素：引入改性形成的陽離子纖維素使復(fù)合微球在較寬的pH值（2.5–12.4）和較大范圍磷酸鹽離子濃度（200–1000 mg/L）內(nèi)能獲得超過120 mg g^-1的陰離子吸附量；（4）生物降解、營(yíng)養(yǎng)物向土壤的緩釋和種植測(cè)試：含磷復(fù)合微球可通過土壤中的微生物逐步降解，主要養(yǎng)分（N、P和K）可在50天內(nèi)均勻緩慢釋放到生長(zhǎng)培養(yǎng)基中，提供植物生長(zhǎng)所需的基本營(yíng)養(yǎng)成分。該研究成果包括了協(xié)同水凈化、廢物處理和增值轉(zhuǎn)化的三重功能，實(shí)現(xiàn)了“蒸發(fā)-吸附-種植”一體化，為太陽能界面蒸發(fā)的光熱氣凝膠微球的制備和應(yīng)用提供了新的前景。該工作以“Photothermal Aerogel Beads Based on Polysaccharides: Controlled Fabrication and Hybrid Applications in Solar-Powered Interfacial Evaporation, Water Remediation and Soil Enrichment”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

圖2 蒸發(fā)體的蒸發(fā)性能測(cè)試

復(fù)合氣凝膠微球與3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三維界面蒸發(fā)器（SG2）能夠在1個(gè)太陽光下的蒸發(fā)速率為1.62 kg m^-2 h^-1，顯著高于純水和直接接觸水面的氣凝膠球（SG1）的水體蒸發(fā)速率（0.76 kg m^-2 h^-1），并且能夠進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的蒸發(fā)。此外，在各種環(huán)境（不同pH和鹽度）中該蒸發(fā)器件也能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定蒸發(fā)。

圖3 復(fù)合氣凝膠微球的吸附性能測(cè)試

復(fù)合氣凝膠微球能夠?qū)δM的富營(yíng)養(yǎng)化水體中的磷酸鹽進(jìn)行有效吸附。由于改性纖維素的引入，使該微球擁有更多的化學(xué)和物理吸附位點(diǎn)，能夠在各種實(shí)際環(huán)境（較寬pH范圍以及各種溫度）下保持高效穩(wěn)定的磷元素吸附，改善了以往報(bào)道的工作中只能在酸性和中性條件下高效磷元素吸附的缺陷。此外，吸附動(dòng)力學(xué)和等溫線曲線更擬合于準(zhǔn)一階動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir方程，說明該吸附過程以化學(xué)吸附為主。

圖4 吸附后氣凝膠微球的降解與種植測(cè)試

在潮濕的土壤中，飽和吸附后的復(fù)合氣凝膠微球可以在7天內(nèi)發(fā)生明顯的降解，在50天內(nèi)緩釋N，P和K元素。種植結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用吸附磷酸鹽后的氣凝膠微球作為緩釋肥料種植的三葉草的長(zhǎng)勢(shì)最好，明顯優(yōu)于空白實(shí)驗(yàn)和水溶性肥料的種植效果，說明營(yíng)養(yǎng)物緩釋對(duì)于植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。

在過去的兩年中，課題組圍繞界面光熱轉(zhuǎn)換材料和器件開展了一系列研究：通過可控發(fā)泡技術(shù)制備低成本和大面積復(fù)合泡沫材料用于太陽能界面蒸發(fā)和清潔水的生產(chǎn)（Chemical Engineering Journal 2022, 431, 134144; Solar RRL 2022, 8, 2200241; Journal of Materials Chemistry A 2021, 9, 9692.）；制備具有自修復(fù)和耐損傷的水凝膠用于高效太陽能水凈化和海水淡化（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2104464），設(shè)計(jì)全纖維素一體式太陽能界面蒸發(fā)器用于海水淡化和自供電波浪檢測(cè)（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2008681）；“不倒翁”抗傾覆太陽能界面蒸發(fā)器設(shè)計(jì)（Journal of Materials Chemistry A 2020, 8, 24664; Advanced Sustainable Systems, 2022, 6, 2200256）；利用海洋生物質(zhì)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)高效持久的太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)、海水淡化和大氣水收集（Chemical Engineering Journal, 2021, 417, 128051; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 18170; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 8556）；基于界面光熱轉(zhuǎn)換的水電聯(lián)產(chǎn)器件設(shè)計(jì)（Journal of Materials Chemistry A 2022, 9, 21197）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c16634

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（責(zé)任編輯：xu）

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