余桂華 Adv. Mater.：去除率超過99%！超級吸水凝膠助力太陽能水凈化

【背景介紹】

由于過度消耗和嚴重污染，安全淡水資源持續萎縮，加劇了全球水資源短缺。水凈化技術的發展構成了一個不斷擴大的潛在水資源清單，包括受污染的淡水源、海水、地下水和廢水。目前，常用的多級過濾、反滲透和蒸餾等策略都是能源密集型的。其中，太陽能水蒸餾正在成為一種很有前途的方法，可用于水循環利用，特別是對于迫切需要分散水處理的地區。太陽能蒸餾通過從含有非揮發性污染物的原水中產生蒸汽來生產高質量的水，甚至可以滿足飲用水的標準。但是，缺乏去除水溶性揮發性有機化合物（volatile organic compounds, VOCs）的能力，從根本上削弱了其實用性。來源于生活、工業和農業廢水的揮發性有機化合物（VOCs）在低濃度下可能對人體健康有害。水溶性VOCs已經侵入自然界水循環系統，成為全球健康威脅。開發有效的技術來消除水中的VOCs對于確保飲用水的清潔和安全至關重要。膜蒸餾和滲透蒸發技術可用于VOCs/水分離，其中設計選擇性滲透分離膜來實現水和VOCs分子在其中的不同遷移通量至關重要。然而，由于功能膜對低濃度水和VOCs的選擇性不足，在高能效要求下生產飲用水仍然具有挑戰性。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授和魯恒毅博士（通訊作者）等人報道了一種去除含VOCs廢水的太陽能水凈化策略。超級吸水凝膠（super water-extracting gels, SWEG）是一種多功能太陽能蒸發器，可以將太陽能轉化為熱能，從VOC水溶液中提取水，并產生潔凈的水蒸氣。由高度水合的海藻酸鹽組成的SWEGs具有超交聯聚合物網絡（hypercrosslinked polymeric networks, HPNs），且水分子穿透HPNs時會與藻酸鹽聚合物鏈形成強氫鍵網絡。SWEG可以抑制其飽和含水量，并在分子水平上將其中含的水完全管控，避免自由水的存在，從根本上不同于傳統水凝膠。由于這種水-分子鏈氫鍵在熱力學上比水-VOC分子相互作用更穩定，因此SWEG可以從VOC溶液中提取水，將VOC與蒸發前沿隔離，從而防止產生的水蒸氣受到污染。基于SWEG，太陽能蒸餾能實現高VOCs去除率，其中對苯酚的去除率超過99.0%、對三氯乙烯的去除率為99.99%），并在1 sun（1 kW m^-2）下達到1.4 kg m^-2 h^-1的水產量。與典型的基于膜的水凈化不同，基于SWEG的太陽能蒸餾器無需真空、膜再生和電力供應。這些特征表明，SWEG的概念可以促進下一代太陽能驅動的水凈化技術的發展，克服與VOCs造成的蒸汽污染相關的基本挑戰。研究成果以題為“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”發布在國際著名期刊Advanced Materials上。

本文所有圖來源于? Wiley-VCH GmbH, Weinheim。

【圖文解讀】

圖一、基于SWEG的太陽能蒸餾從水中去除VOCs
（a）VOCs來源于工業排放、農藥和生活污水，通過自然水文循環傳播，從而污染河流、湖泊、地下水和海洋等潛在水源；

（b）通過界面太陽能水蒸發實現VOCs管理，其中SWEG作為光熱蒸發器。

圖二、SWEG的表征
（a）SWEG膜的照片；

（b）SWEG的橫截面SEM圖像呈現出均勻致密的結構；

（c）SWEG的高倍SEM圖像顯示光滑的橫截面；

（d）與傳統水凝膠相比，SWEGs的飽和含水量處于較低水平；

（e-f）不同飽和水含量的SWEGs的應變-應力曲線和XRD分析。

圖三、基于SWEG的VOC抑制機理
（a）FTIR光譜顯示SWEG中的親水基團；

（b）DSC曲線追蹤純冰和完全水合SWEG的熔化行為，其中直線表明樣品中的所有水分子通過氫鍵與HPN強烈相互作用，成為不可冷凍水；

（c）HPN與所含水分子之間的氫鍵示意圖。

圖四、基于SWEG的太陽能蒸餾
（a）原型太陽能與空氣和水循環系統集成的示意圖；

（b）具有SWEG的開放系統與沒有HPN的基于藻酸鹽的水凝膠的太陽能蒸汽產生性能；

（c）封閉系統中不同氣流通量下SWEG的產水量；

（d）使用SWEG和不含HPN的水凝膠作為太陽能蒸發器，純化水中苯酚的殘留；

（e）使用SWEG和不含HPN的水凝膠作為太陽能蒸發器，純化水中三氯乙烯的殘留；

（f）去除苯酚和三氯乙烯的長期性能。

圖五、比較當前的VOC去除技術

【小結】

綜上所述，作者證明了具有超交聯聚合物網絡的超級吸水凝膠（super water-extracting gels, SWEG）可通過太陽能蒸餾直接從水中去除VOCs。超交聯海藻酸鹽作為活性材料在分子水平上分離VOCs和水。借助HPN的定制拓撲結構，SWEG可以與所有包含的水分子提供強氫鍵，從VOCs溶液中提取水，將VOCs從蒸發前沿隔離，從而產生清潔的水蒸氣。原型太陽能蒸餾器被證明可以在1 sun下從VOCs污染的水中連續生產清潔水，產量高達1.4 kg m^-2 h^-1。該概念對下一代水凈化具有吸引力，因為它使用可持續能源、廉價且環保的材料，并且易于凝膠化顯著簡化了大規模制造。它有望為分散式生活用水凈化（尤其是在偏遠地區）以及工業污水的太陽能凈化提供潛在的家用太陽能蒸餾器。

文獻鏈接：Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle. Advanced Materials, 2022, DOI: 10.1002/adma.202110548.

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.