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河北工大張盼盼/紀志永教授團隊、清華大學曲良體教授 Nano Lett.：強氫鍵修復且具有重構寬排鹽通道的太陽能蒸發器用于可持續海水曬鹽

2024-09-14 來源：高分子科技

全球淡水資源嚴重短缺，海水淡化為解決淡水資源匱乏問題提供了一種有效途徑。而海水淡化過程中產生大量濃鹽水，直接排放對海洋生物和生態環境造成巨大的危害。濃鹽水在固體鹽生產、氯堿化工產品制造以及礦物資源提取等方面有廣泛應用。根據國際鹽業聯合會的數據，全球太陽能海水曬鹽的產量在2019年創下了3.2億噸的歷史新高。傳統的太陽能海水曬鹽利用蒸發池通過持續的太陽光照射來蒸發水分，促進海水逐漸濃縮和固體鹽結晶。盡管以上方式具有較低的成本，但效率低下且需占用大量土地。因此，亟需提高太陽能海水曬鹽的效率，以緩解日益緊張的能源-資源壓力。太陽能界面水蒸發技術（ISVG）具有更加高效、快速進行海水曬鹽的潛力。但在嚴苛環境下（例如，低溫）下，光熱材料的耐用性和適用性令人擔憂。因此，開發同時具備可擴展性、適應性和耐用性的太陽能蒸發器，以促進高效的海水濃縮和固體鹽結晶過程，仍然是一個顯著的挑戰。

文章亮點

近日，河北工業大學張盼盼副教授/紀志永教授團隊、清華大學曲良體教授開發了一種強氫鍵修復、寬溫度范圍適用、高抗鹽的石墨烯/海藻糖/聚丙烯酰胺水凝膠（PTGH）作為太陽能蒸發器用于可持續海水曬鹽（圖1）。其中，海藻糖富含羥基（–OH）可通過形成強氫鍵作用修復聚丙烯酰胺（PAAm）聚合物網絡，使得 PTGH 具有強韌性、可拉伸性和耐低溫性能。通過相對低溫定向冷凍鑄造工藝，精確調控PTGH 內冰晶的生長速度，重構寬排鹽通道，加快離子快速對流/擴散，提高太陽能蒸發器耐鹽性能。在一個太陽光強度下，PTGH 在室溫環境下水蒸發速率可達2.82 kg m^–2 h^–1，即使在低溫環境下（?20^oC?0^oC），水蒸發速率也能保持在0.92?1.34 kg m^–2 h^–1。在室外連續海水曬鹽過程中，PTGH 能夠持續運行，直至原鹽水溶液高度濃縮，最終將固體鹽從水中分離出來。與傳統的日曬海水過程相比，可節省 66.67%?75% 的時間或土地消耗。該工作以“Hydrogen Bond Repairing Solar Evaporator with Reconstructed Large-Width Channels for Durable Solarizing Seawater”為題發表在《NANO LETTERS》上。

圖 1. PTGH 用于高效、可持續海水曬鹽示意圖

該團隊創新地提出了相對低溫定向冷凍鑄造工藝重構具有寬排鹽通道的太陽能蒸發器（圖2）。通過精確調控PTGH內冰晶生長，重構通道的寬度可加寬至500 μm，有利于提高導水性能，加速鹽離子的對流/擴散以增強太陽能蒸發器的耐鹽性能。其次，海藻糖作為PAAm聚合物網絡的修復劑，可通過強氫鍵作用與PAAm的長聚合物鏈形成多個相互作用點，使其具有優異的機械性能，包括強韌性和可拉伸性，并確保即使在低溫環境下也能正常運行，增強PTGH作為太陽能蒸發器在各種嚴苛環境實際應用性能。

圖2 PTGH制備流程和表征

PTGH在太陽光全光譜范圍內（250?2500 nm）表現出99%的光吸收率。海藻糖豐富的羥基可與水分子相互作用，從而調控PTGHs內水的狀態，降低水的蒸發焓（圖3），在室溫環境中一個太陽光強度照射下，PGH和PTGHs的表面溫度穩定在34.7?36.6 °C范圍內。PTGH3具有最優水蒸發率2.82 kg m^–2 h^–1，為純水的6.22倍。PTGH3的太陽能利用效率高達98.5%。在連續照射120 h后，浸入水中重新膨脹，PTHG3的機械性能仍然保持良好。即使在低溫下（?20^oC?20^oC），PTGH3也能表現出32.4%?91.5%范圍內的太陽能利用效率。

圖3 室溫和低溫環境下PTGHs的 ISVG 性能

通過相對低溫定向重構的寬排鹽通道可加速了鹽離子對流/擴散，實現PTGH3的長期耐鹽性能（圖4）。在3.5wt%鹽水中進行連續水蒸發測試，PTGH3表現出2.78 kg m^–2 h^–1的穩定水蒸發速率，且表面沒有明顯的鹽結晶析出。在連續使用60天（3.5 wt%鹽水，每天12 h），其水蒸發速率僅有略微下降，從 2.82 kg m^–2 h^–1到 2.51 kg m^–2 h^–1。即使在 25 wt% 的高鹽度溶液中，PTGH3 也具有出色的耐鹽性。將PTGH3 用于連續太陽能海水曬鹽，隨著初始鹽度為 3.5 wt%海水的不斷濃縮，固體鹽顆粒首先在玻璃燒杯表面結晶，直到100%的水蒸發并且所有固體鹽晶沉淀出來，PTGH3表面也沒有明顯的固體鹽堆積。

圖4 PTGH3用于長時間海水曬鹽性能

開發的 PTGH3 易于大規模制備，原材料成本低至 2.4218 $ m^?2，能夠在不同環境下進行實際應用（圖5）。在環境溫度為28 °C左右的夏季測試中，PTGH3的水蒸發速率略高于實驗室測量值，主要歸因于室外高溫和風對流促進水蒸氣擴散和加速水分蒸發。在冬季室外環境溫度為?5 °C?4 °C時，PTGH3經過多次凍融后仍然能夠保持結構完整性，表現出優異的耐低溫性能。

圖5 PTGH3在不同室外環境下用于長時間海水曬鹽

通過氫鍵修復和相對低溫定向重構策略構建的PTGH為連續太陽能海水曬鹽提供了新的思路。PTGH展示了其對各種環境挑戰的適應性和耐用性，具有優異的水蒸發性能，可以處理高鹽度溶液用于固體鹽生產。傳統的蒸發池海水曬鹽相比，基于PTGH海水曬鹽效率高出約3?4倍，可節省 66.67%?75%的時間或土地成本。這項工作也同樣為高效太陽能的利用、海水濃縮甚至固體鹽結晶領域提供了另一種途徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03179

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（責任編輯：xu）

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