王鵬教授團隊Mater. Horiz.:無金屬、無腐蝕、全固態聚合物基水蒸氣吸附劑,用于吸附式制冷和空氣中收集水
近年來,由于能源與水資源短缺問題日益嚴峻、低碳和環保理念深入人心,水蒸氣吸附劑越來越受到重視。它可以利用太陽能、廢熱、余熱等低品位熱源來驅動吸附式制冷、空氣中集水、吸附脫鹽和濕度調控等多種應用,從而緩解電力供應緊張的壓力,有效減小碳排放量,提供穩定淡水供應。但是,目前常見的無機鹽(CaCl2、LiCl等)吸附劑吸水后會形成鹽溶液,存在泄漏滲出的問題,而且由于鹵素離子的存在,無機鹽吸附劑具有很強的腐蝕性。另一方面,硅膠和沸石等傳統吸附劑由于其低的吸附能力而限制了其應用的性能。除此之外,一些用于制備吸附劑的金屬元素,如鋰在地球上的儲量有限而且正在日益減少。因此,迫切需要發展無金屬、無腐蝕、全固態的高性能吸附劑。

圖1. 工作亮點
近日,阿卜杜拉國王科技大學/香港理工大學王鵬教授課題組報道了一種具有高吸水能力、無腐蝕、無金屬的全固態聚合物吸附劑。作者首先制備了具有季胺陽離子的交聯聚合物水凝膠,然后利用離子交換的方法,用環境友好的陰離子(醋酸根、草酸根、檸檬酸根離子)替換掉水凝膠中的氯離子,設計合成了無金屬、無鹵素、純固態的吸附劑。所得到的吸附劑同時含有高吸濕性能的季胺基團和羧酸根基團,所以具有高的水蒸氣吸附能力。由于存在共價交聯作用,該吸附劑即使在吸水之后依然能保持固態的形態。將氯離子替換成醋酸根、草酸根和檸檬酸根離子之后,該吸附劑的腐蝕性大大降低。將該吸附劑用于空調吸附式制冷和空氣中集水應用中,分別得到了較高的制冷性能和集水能力,體現出了廣闊的應用前景。

圖2.(a)聚合物基吸附劑的制備過程及(b)工作原理
首先利用自由基聚合的方法制備交聯的聚陽離子水凝膠,然后將水凝膠充分浸泡在醋酸鈉、草酸鈉和檸檬酸鈉水溶液中進行離子交換,最后用去離子水洗去殘留的離子并加熱干燥之后,便得到了無金屬、無鹵素、純固態的聚合物吸附劑(圖2a)。由于季胺基團和羧酸根基團的高吸濕性能,該吸附劑可以自發的吸附水蒸氣。太陽光和低品位熱源可以用來驅動吸附劑的解吸過程,從而將水蒸氣從吸附劑中釋放出來(圖2b)。

圖3.(a)聚合物基吸附劑的吸水性能及(b)防腐蝕性能
在離子交換之后,醋酸根離子結合的吸附劑(PAETA-Ac)具有最好的吸水能力(圖3a)。與氯離子相比,醋酸根中的羧酸根基團對水分子有更強的親和力和更多的配位數,從而可以吸附更多的水分子。而草酸根和檸檬酸根離子屬于多電荷陰離子,對陽離子聚合物起到離子交聯的作用,從而吸附能力小于PAETA-Ac吸附劑。更重要的是,由于PAETA-Ac吸附劑同時含有高吸濕性能的季胺基團和羧酸根基團,其水蒸氣吸附能力是目前報道的聚合物吸附材料(未加修飾和復合的純聚合物)中最高的。而在經過離子交換之后,無氯離子的吸附劑大大降低了對金屬的腐蝕性能(圖3b)。

圖4.(a)聚合物基吸附劑用于空調吸附式制冷的原理及(b,c)性能
作為對該吸附劑實際應用前景的評估,作者首先研究了其在空調吸附式制冷應用中的性能。其吸附制冷的原理是(圖4a):當吸附劑吸附水蒸汽時(水為環境友好的制冷劑),水由液態轉變為氣態,吸收蒸發器中的熱量,產生制冷效果,這個過程即吸附過程。然后利用熱源加熱吸附劑,使吸附劑釋放出水蒸汽,水蒸汽在冷凝器中放出熱量并凝結為液體,這個過程即解吸過程。最后吸附劑被冷卻重新獲得吸附能力。PAETA-Ac吸附劑具有高的水蒸氣吸附能力和高的制冷性能(圖4b,c)。在熱源溫度/再生溫度為70 °C、獲得20 °C(ΔT, Temperature lift)的降溫條件下,PAETA-Ac吸附劑的COP(Coefficient of Performance)值為0.75。
圖5. 空氣中集水
另一方面,作者研究了該吸附劑在空氣中集水的能力。在此實驗中,將光熱材料碳納米管摻雜在PAETA-Ac吸附劑中以賦予吸附劑光熱驅動水蒸氣解吸附的能力,然后進行戶外的空氣集水實驗。在夜晚將PAETA-Ac暴露在空氣中進行水蒸氣吸附過程,然后將PAETA-Ac密封在容器中進行太陽光輔助的水收集過程。在一個循環的水蒸氣吸附-解吸-冷凝過程中,該吸附劑可以生產出符合WHO飲用水標準的淡水。
這項工作為無腐蝕、純固態吸附劑的設計提供了新的思路。所發展的聚合物基吸附劑集成了高吸水性、無金屬、無腐蝕與固態性能,在水資源與能源領域表現出較大的應用潛力。
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