天科大戴林、司傳領/東林陳文帥/軍科院李辰宇《AM》正封面論文：可光熱、快速大氣水收集的生物基凝膠材料及裝備

全球水資源短缺壓力不斷升級，約70%的國家和地區人均可再生淡水資源不足5萬立方米。這一挑戰在經濟欠發達地區更為嚴峻。近年來，人們逐漸意識到在節約用水、保護水源、加強蓄水等方式以外，研發非常規水源的收集技術十分必要。地球大氣中蘊藏著約1300萬立方米的水，開發高效的大氣水收集（AWH）技術有望改善水資源短缺問題。基于吸濕材料的AWH經濟便捷，尤其是在極度干旱和經濟欠發達地區表現出良好的推廣前景。然而目前的吸濕材料及相關研究工作仍面臨一些挑戰，如大多材料具有較慢的吸濕/解吸動力學；材料吸濕后存在解體的風險，不利于長時間地循環使用；解吸過程中通常需要外部電源；水收集設備開發相對滯后，常見的交替吸濕/解吸過程會大幅度損失材料的集水效率。

為解決這一問題，天津科技大學戴林、司傳領團隊聯合軍事科學院軍事醫學研究院李辰宇、東北林業大學陳文帥創造性地開發了一種可光熱、快速大氣水收集的生物基凝膠。在干旱環境下（15%~30% RH），大氣水捕獲速率和解吸速率分別可達1.41~1.74 kg kg^-1 h^-1和1.98 kg kg^-1 h^-1。此外，提出了連續水收集策略并設計了一種多倉、滾筒式大氣水收集裝備，通過優化設備運轉參數，水收集速率可達8.96 kg kg_gel^-1day^-1和18.87 kg kg_device^-1day^-1，因此在應急救援和軍事行動等實際應用場景下，尤其在極端環境和基礎設施相對落后的地區表現出很好的實用性。該研究以題為“Solar-driven Drum-type Atmospheric Water Harvester Based on Bio-based Gels with Fast Adsorption/Desorption Kinetics”的論文發表在最新一期的《Advanced Materials》上，并被選為正封面文章（Front Cover）。

圖1. 世界經濟/淡水概況和CAL gel及滾筒式大氣水收集器

【多組分復合、表面交聯CAL凝膠】

這項研究工作中CAL凝膠由海藻酸鈉（SA）、羥丙基纖維素（HPC）、去甲基堿木素（DAL）和氯化鋰（LiCl）組成，分別起到水分傳輸儲存、溫度敏感、光熱轉化和吸濕的作用。SA具有良好的親水性和生物相容性，作為基材實現水分傳輸與儲存。HPC具有溫度響應性，用于調節聚合物網絡的與水分子之間的相互作用。木質素具有一定的光熱轉化能力，通過去甲基化可提高其親水性并進一步提升材料光熱轉化溫度。本研究通過引入LiCl并制備低程度物理交聯的薄層（200 μm）結構以實現材料的快速吸濕與解吸。為賦予材料吸濕后的形態保持能力，本研究提出CaCl₂表面噴涂法，這種低程度的表面交聯在維持材料吸水后的結構完整性的同時，幾乎不損失材料吸濕性能，從而使材料具有很好的實際循環使用性能。

圖2. CAL gel的制備與表征

【CAL凝膠的快速吸濕/解吸】

作者對CAL凝膠的大氣水收集效果進行了檢測分析。結果表明，在15%、20%和30%相對濕度下，材料吸濕量為0.51、0.63和0.79 g g^-1，相應的吸濕速率分別為0.62 kg kg^-1 h^-1、0.872 kg kg^-1 h^-1、1.74 kg kg^-1 h^-1，解吸速率為1.98 kg kg^-1 h^-1。該研究利用木質素的光熱轉化能力驅動凝膠解吸過程，通過去甲基化可進一步提升材料光熱轉化溫度。在1個標準太陽下，DAL溫度可達67.8°C（堿木質素49.3°C），CAL凝膠具表現出良好、穩定的吸濕/解吸效率。

圖3. CAL凝膠的吸濕解吸性能

圖4. CAL gel的光熱轉化能力及吸濕/解吸循環穩定性

圖5. 滾筒式水收集裝備的設計及應用

【大氣水收集裝備的設計與應用】

這項研究設計并構建了一種多倉、滾筒式大氣水收集裝備。該裝備有六個倉室，在下部吸附倉的CAL凝膠與大氣接觸，風扇將空氣引入倉內以加速吸濕過程。吸濕后的CAL凝膠可隨倉式旋轉180°，進入上部封閉的解吸倉。經太陽照射，材料表面溫度升高，水分蒸發并匯集實現大氣水收集。研究采用Fluent模擬進一步驗證收集器設計的合理性。該研究通過微分方程數學建模，結合材料吸濕/解吸實驗數據，獲得最佳的旋轉（吸濕/解析切換）頻率。該模型可根據不同環境、不同材料的吸濕/解吸動力學，優化裝備旋轉參數，從而高效地利用材料及裝備實現大氣水收集。最后，作者在實際室外環境下測試了優化后的大氣水收集效果。首先，夜間旋轉一次使所有CAL凝膠達到吸附平衡，日出后使用交替吸濕和解吸策略，大氣水收集量達到8.96 kg kg_gel^-1 day^-1和18.87 kg kg_device^-1 day^-1，且收集的大氣水符合世界衛生組織的飲用水水質標準。

圖6. 水收集器的優化策略及實際應用。

總結：作者采用多組分復合、表面交聯等方法制備了一種吸濕凝膠，該凝膠具有良好的光熱性能及快速吸濕/解吸性能，在吸濕后仍具有良好的形態保持能力。此外，設計制備的多倉、滾筒式裝備可最大程度上發揮CAL凝膠的集水能力，并有望實現大規模、連續化制大氣水收集，尤其在極端環境和基礎設施相對落后的地區表現出很好的實用前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202403876