水資源短缺是當今世界面臨的主要挑戰之一。由于地表水和地下水僅占地球所有水的0.01%,開發和利用海洋水資源受到研究人員極大的關注。眾所周知,海水含鹽量高,無法直接飲用。雖然出現了一些海水淡化技術(例如,蒸餾、反滲透、正向滲透和電滲析),但這些方法進行海水淡化時需要耗費大量的能源和使用成本極高的機器。太陽能是取之不盡的能源,利用太陽能將淡水與鹽分和其他污染物分離的技術稱為太陽能蒸餾。傳統的太陽能蒸餾器由一個裝滿水的黑色底盆和一個作為冷凝器的透明蓋組成,其產量和光熱效率較低。最近,太陽能驅動的界面蒸發已成為一種用于高效、清潔水生產的創新和可持續技術。太陽能界面蒸發器的使用環境是需要重點考慮的因素,比如開放水域和動態環境(海水域、水庫等)中的水波不可避免地會對界面蒸汽發生器的剛性和脆性結構元件造成物理損壞。盡管基于天然和無機/有機混合材料的界面蒸汽發生器提供了良好的機械強度和抗鈍性損壞,但它們容易受到一些機械損壞(如切割、撕裂和摩擦)。小的物理損傷的逐漸增長往往會降低材料的性能并最終導致整個設備的故障。這無疑給耐損傷材料的設計帶來了挑戰,并在界面蒸發生器中使用的材料的機械強度和柔順性之間產生了兩難選擇。受生物體自密封和自修復過程的啟發,不同的仿生設計和機制已被轉移到自修復聚合物網絡(水凝膠、彈性體、熱固性材料等)中,旨在損壞和疲勞后恢復功能。然而,在目前界面蒸發生器的設計中,結構部件的可重復性(疲勞)和可逆性(恢復)在很大程度上被忽視了。因此,亟需開發自修復構件來防止永久性故障、恢復原始功能并延長使用壽命的界面蒸發器。
鑒于此,中國海洋大學徐曉峰教授與劍橋大學Petri Murto教授合作利用聚乙烯醇(PVA)、海藻酸鈉(SA)和聚丙烯酸鈉(PAAS)的高度親水性、多孔性和廣泛的氫鍵網絡的優點,制備了具有明確結構的整體式、耐用且自漂浮的水凝膠界面蒸發生器。由于化學和物理交聯產生的動態共價鍵和非共價相互作用的存在,水凝膠界面蒸發器具有良好的機械性能和快速自愈能力。這項工作突出了使用自修復水凝膠制造堅固且耐損壞材料的巨大潛力。
文章亮點:
1、該界面蒸汽發生器的保水性、機械性能和自愈能力很容易通過改變材料成分的質量比來調節。蒸發器表面粗糙度的調節和結構元件(太陽能吸收器和水路)的集成還可通過自愈過程得到顯著簡化。
2、用1倍太陽光強輻照在各種水環境(鹽度36~210 g/kg)中的界面蒸發器設備,其水蒸發率高達約2.2 kg m-2 h-1,超過了大多數使用復合聚合物構建的設備,成為性能最好的界面蒸汽發生器之一。
3、這項工作凸顯了開發自修復水凝膠的巨大潛力,可以防止突然和永久性故障,簡化生產過程并延長太陽能蒸發器在實際應用中的壽命。
圖1界面蒸汽發生器的示意圖和工作原理
圖2復合凝膠和水凝膠的制備流程圖
圖3界面蒸汽發生器裝置制造工藝流程圖
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