江蘇科技大學施偉龍/郭峰Desalination:受細胞壁“束縛效應”啟發構筑高效3D生物質基水凝膠光熱海水淡化蒸發器

面對全球水資源短缺和對淡水的需求，太陽能驅動的海水淡化由于其可持續性和可再生性，已被廣泛認為是一個關鍵的解決方案。然而，在太陽能驅動的蒸發過程中，光熱界面的熱損失和鹽堵塞等挑戰大大降低了太陽能蒸發器的壽命，急需解決方案以確保太陽能蒸發器長期、穩定和高效的運行。

江蘇科技大學施偉龍副教授/郭峰副教授團隊受細胞壁“束縛效應”的啟發，通過協同增強殼聚糖（CS）基水凝膠與納米纖維素（CF）、絲瓜絡纖維（LF）和碳點（CDs），成功開發了3D-CDs/CF/CS-LF復合水凝膠太陽能蒸發器，實現了高效供水，增強了機械性能，并改善了光熱轉換能力。所制備的3D-CDs/CF/CS-LF蒸發器在1個陽光強度下表現出超高蒸發率（8.08 kg m^-2?h^-1）。此外，在戶外海水淡化實驗中，蒸發裝置每日生產約34.88 kg m^-2的淡水，驗證了該蒸發器在實際應用中的效用。研究成果以Ultra-high solar steam generation based on regulated water management strategy in 3D biomass hydrogels inspired by the“binding effect”of cell walls為題發表于Desalination。

數據概要

圖 1. (a、b）CDs/CF/CS-LF水凝膠的制備工藝示意圖。(c)CDs/CF/CS-LF水凝膠蒸發器中蒸汽生成示意圖。（d1）CS-LF、（d2）CDs/CS-LF、（d3）CF/CS-LF和（d4）CDs/CF/CS-LF的模型圖像、光學圖像和掃描電鏡圖像。

圖 2. (a) LF、CS 和 CS-LF 水凝膠的應力-應變曲線和 (b) 光學圖像。(c) CDs/CF/CS-LF 水凝膠壓縮實驗過程示意圖。(d) 所制備水凝膠的應力-應變曲線。(g) CDs/CF/CS-LF 水凝膠循環測試的應力-應變曲線和 (h) 力-位移曲線。(i) 最大應力和壓縮模量。

圖 3. 3D-CDs/CF/CF/LF-3D二維太陽能蒸發器(a)有效蒸發面積和(b)環境能量收集的比較。(c)太陽能蒸汽性能評價裝置圖。(d)純水和制備的樣品的水重隨時間的變化。(e)所制備的樣品的蒸發率和效率。(f)3D-CDs/CF/CS-LF的蒸發率組成。(g)不同光強下的3D-CDs/CF/CF-LF蒸發器的蒸發速率。(h)不同鹽濃度下3D-CDs/CF/CS-LF蒸發器的蒸發速率。(i)已制備樣品的DSC測量。(j)3D-CDs/CF/CS-LF中純水和水的蒸發焓的估算。(k)蒸發效率的比較。

圖 4. 所制備的水凝膠的(a) UV-Vis-NIR吸收光譜。(b)光熱試驗實驗裝置圖。(c)已制備樣品的溫度變化。(d)已制備樣品的導熱系數。（e）已制備樣品的表面粗糙度。（f）溫度變化曲線。（g）頂部和側面的紅外光學圖像。（h）的溫度分布模擬。

圖5. (a)動態接觸角圖像。(b)蒸發器在染料中的垂直運輸行為。(c)表面鹽溶解的光學圖像。(d)蒸發器的抗鹽沉積能力照片。(e)樣品的形狀變形程度照片。(f)干燥和飽和水狀態下的重量，以及相應的吸水率。(g)水浸前后已制備的光學圖像。(h)不同pH值和鹽濃度溶液中的膨脹率。(i)50次壓縮松弛循環前后的照片。

圖 6. (a)海水淡化和作物灌溉系統示意圖。(b)戶外測試下太陽能驅動蒸發器海水淡化系統的光學照片。(c)不同輻照時間內快速產生蒸汽的照片。(d)室外試驗的實際蒸發率。(e)四種主要離子的濃度。(f)收集的冷凝水中MB和Mo的吸光度的變化。(g)酸性和堿性溶液中蒸發后的pH變化。(h)豆芽的生長情況。(i)豆芽的生長高度與時間。

論文地址

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117954