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長安大學白波教授團隊 CEJ:一種基于唐南效應的聚電解質水凝膠涂層絲瓜絡海綿蒸發器-用于高濃度鹽水淡化
2023-03-11  來源:高分子科技

  界面蒸發太陽能海水淡化對于緩解全球淡水危機來說是一種很有前景的低成本方式。由于產生清潔淡水的巨大潛力,太陽能驅動的界面脫鹽(SDID)作為一種碳足跡最小的水處理方法正在蓬勃發展。然而,在海水淡化過程中,鹽的積聚會阻塞蒸發通道,使蒸發速率嚴重下降。在追求理想蒸發性能的同時,蒸發器能夠在較高濃度鹽水蒸發中保持耐鹽性能也備受關注


1 受紅樹林拒鹽機制啟發的PAAS-CLF蒸發器靈感來源


  近日,長安大學白波教授團隊自然植物紅樹林的鹽機制為靈感來源,以具有天然3D網絡結構的絲瓜絡海綿(LF)為基體,聚丙烯酸鈉水凝膠(PAAS)作為涂層包覆,通過原位聚合的方法,開發了一種具有Donnan效應的聚電解質水凝膠蒸發器(以下簡稱為PAAS-CLF)。此蒸發器的頂部碳化層具有優異的光吸收和光捕獲能力,可作為吸收。在蒸發器的微通道中,受限制的反離子Na+會產生Donnan電勢阻止鹽水溶液界面附近的離子進入蒸發器中使其具有卓越的耐鹽性能。同時,天然絲瓜絡基體獨級多孔通道可以有效地使蒸發過程中產生的蒸汽逸散。在1個太陽光照下,PAAS-CLF的水蒸發速率為1.83 kg m-2 h-1,對應于94.54%的蒸發效率。更重要的是,這種基于Donnan效應的聚電解質蒸發器能夠抵抗82%以上的鹽子,并且在鹽度較寬范圍(35–200 g kg ?1的鹽水中保持1.45 kg m-2 h-1以上的蒸發速率,確保了蒸發器在高濃度鹽水中仍保持理想的蒸發性能。 


2 PAAS-CLF蒸發器的制備工藝  


圖3  PAAS-CLF蒸發器的界面太陽能蒸發性能

  研究發現PAAS-CLF具備良好的吸光性能、優異的水運輸能力和理想的蒸發性能。通過DSCRoman光譜表征進一步研究了蒸發器中自由水(FW)、中間水(IW)和結合水(BW氫鍵的狀態,表明聚電解質水凝膠的網絡結構還可有效降低蒸發焓,提高蒸發速率除此之外,還探究了聚電解質水凝膠濃度、凝膠涂層厚度、蒸發器孔隙度演變情況等對PAAS-CLF蒸發性能的影響。 


4 PAAS-CL蒸發器的耐鹽性能 


5  PAAS-CLF蒸發器基于多南效應的太陽能海水淡化機理


  此外,還進行了PAAS-CLF蒸發器在高濃度鹽水中耐鹽性能的探究。為了闡明Donnan效應對鹽子排斥的機制研究還建立蒸發器表面鹽離子濃度與供水層鹽離子濃度的函數關系,并證明了聚電解質水凝膠具有耐鹽性能的原因是由于多孔結構中被限制的Na+(反離子)具有的電勢誘發了Donnan效應。因此,進入供水層的鹽離子數量可通過Na+反離子的濃度來調控。


  這項工作提供了一種獨特的耐鹽性太陽能海水淡化蒸發系統的構建方法,通過聚電解質水凝膠包覆天然生物質多孔材料,制備出低成本,綠色可再生的蒸發器,可有效滿足海水淡化及高鹽水的凈水要求。該成果發表在Chemical Engineering Journal上,題目為“A polyelectrolyte hydrogel coated loofah sponge evaporator based on Donnan effect for highly efficient solar-driven desalinationDOI: 10.1016/j.cej.2023.142265)。長安大學博士研究生王雪純為第一作者,長安大學白波教授為通訊作者。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142265

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