余桂華/趙飛/趙辰陽 AFM：首次報道！水凝膠基光熱薄膜助力高效低成本太陽能驅動膜蒸餾

【背景介紹】

眾所周知，淡水是人類生活所不可缺少的資源。在大自然中，由太陽輻射和風驅動的自然水循環激發了各種太陽能驅動的水凈化技術。太陽能驅動蒸汽生成（SVG）可將水從非揮發性污染物溶液中分離出來，引發了廣泛的關注。然而，由于不夠有效的蒸汽轉移，蒸汽的產生在蒸發前沿附近局部濕度較高時會受到抑制，因此SVG水凈化技術的淡水產率受到了一定的限制。膜蒸餾技術（MD）是一種基于流體運動增強蒸汽轉移的有效手段，然而，MD的高能耗導致其水凈化成本過高。近年來，太陽能驅動MD（solar-MD）技術被開發出來并初步應用于可再生能源驅動水凈化領域。然而，該技術尚處于萌芽階段，其能量效率和凈水產率仍不能滿足實際需求。在基于疏水多孔膜的傳統solar-MD系統中，疏水膜的存在使得蒸發前沿（光熱表面）位于給水側（原水側），因此蒸汽的擴散受到疏水膜的阻礙。由于蒸汽擴散不充分，疏水膜內必然會出現相對濕度（RH）降，從而導致疏水膜/載氣界面處的RH較低，不利于后續的蒸汽冷凝收集。此外，溫度極化效應也限制了solar-MD的整體能量效率。因此，可以同時實現高蒸發速率和高收集速率的光驅動凈水系統設計成為了亟需。

【成果簡介】

近日，德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授、趙飛博士，和深圳大學趙辰陽教授（共同通訊作者）等人首次報道了一種基于水凝膠超薄膜（HUM）的solar-MD系統，用以同時現實高蒸發速率、有效水蒸汽轉移，和高凈水產率。在該系統中，HUM的存在使得蒸發前沿直接暴露于載氣側，促進了蒸發，且高蒸發速率下的蒸發冷卻效應使得HUM表面溫度低于環境，避免了熱損失并實現環境能收集，從而從根本上消除了溫度極化。得益于此，HUM基solar-MD系統的輸出氣流濕度顯著增加，使系統可在沒有任何能量回收和冷卻裝置下達到80％的蒸汽收集率，并在一個陽光照射下獲得2.4 kg m^-2 h^-1的凈水產率。更重要的是，HUM的原材料成本僅為0.36 $ m^-2，使得HUM基solar-MD系統的淡水生產成本低至約為0.3-1.0 $ m^-3。總之，該工作表明基于HUM的solar-MD策略有望同時被用于分散型小規模水凈化和集中型大規模水處理。該研究成果以題為“High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation”的研究論文發布在國際著名期刊?Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、基于HUM的solar-MD示意圖
a）自然界中的水循環；

b）基于疏水薄膜的傳統solar-MD系統和基于HUM的solar-MD系統內濕度和溫度分布比較圖。

圖二、材料設計和表征
a）HUM的照片；

b）HUM中PVA水凝膠層和炭黑層的水傳輸行為示意圖；

c）HUM橫截面的SEM圖像；

d）HUM的本征和其發生光蒸發時的光熱行為。

圖三、太陽驅動蒸汽生成（SVG）的性能
a）基于HUM的蒸汽發生器示意圖；

b）HUM在不同的條件下的蒸發行為顯示出蒸汽擴散對蒸發的重要性；

c-d）氣流速率和太陽光強度與蒸發速率和太陽能轉化效率之間的關系。

圖四、自然環境條件下的solar-MD水凈化性能
a-b）水蒸發速率、水收集速率與載氣速率之間的關系；

c）HUM基solar-MD系統的長時間工作穩定性；

d）基于HUM的solar-MD系統與文獻中的傳統solar-MD系統的凈水產率對比。

圖五、基于HUM的solar-MD系統與已報道的不帶制冷或熱回收配件的太陽能淡化系統的水凈化性能對比

【小結】

綜上所述，作者首次報道了基于HUM的高凈水率、低成本的solar-MD系統。該系統協同集成了：1）水凝膠蒸發器的高蒸發速率；2）載氣輔助的有效蒸汽擴散；3）高效的能量管理。這些協同功能是通過同時具有防水性能和高SVG性能的水凝膠蒸發層來實現的。重新定位的蒸發前沿從根本上改善了蒸汽的擴散動力學，避免了溫度極化。總之，該設計代表了一種具有高凈水產率、可擴展性和實用性的可持續淡水生產策略。

文獻鏈接：High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202101036.

通訊作者簡介

余桂華，美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程系，機械系終身教授，英國皇家化學學會會士（FRSC）和皇家物理學會會士（FInstP）。

余桂華教授課題組的研究重點是新型功能化材料的合理設計和合成，尤其是對能源和環境凝膠材料的開創性研究，對其化學和物理性質的表征和探索，以及推廣其在能源，環境和生命科學領域展現重要的技術應用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Materials Today 等國際著名刊物上發表論文210余篇，論文引用37,000余次，H-index 101。

現任 ACS Materials Letters 副主編，是近二十個國際著名化學和材料類科學期刊的顧問編委，如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Nano Research (Springer), Nature Scientific Reports, Energy Storage Materials (Elsevier), Science China-Chemistry, Science China-Materials, Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH)等。

本文由CQR編譯。

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