德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队：新型水凝胶太阳能技术可大量生产饮用水

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这种太阳能蒸馏器能产生创纪录的淡水。图片来源：UT AUSTIN

被称为“太阳能蒸馏器”的罐式设备能够利用太阳光蒸发脏水或咸水，并将蒸汽凝结成安全的饮用水。但是大而昂贵的蒸馏器只能为一个小家庭提供足够的水。如今，研究人员已经开发出一种新材料，可以加速蒸发过程，使小型太阳能蒸馏器能够提供一个家庭所需的全部饮用水。如果这项技术被证明足够便宜，它将可以为数百万贫困人口提供清洁的饮用水。

联合国儿童基金会的数据显示，目前全球有7.83亿人，即接近1/10的人口无法获得这种服务。这些人每天花费共计两亿小时从遥远的水源取水。尽管目前已有净化污水和淡化海水的技术，但这些技术通常需要昂贵的基础设施和大量能源，而这让许多社区无法承受。

近来，研究人员一直致力于将太阳能蒸馏器升级为一种廉价、低技术含量的替代品。传统的蒸馏器不过是一个装满水的黑底容器，顶部是透明的玻璃或塑料盖。黑色的底部吸收阳光，加热水，使其蒸发，并留下污染物。然后水蒸气凝结在透明的覆盖物上，最终慢慢进入一个收集器。

但是，由于太阳光必须在蒸发开始前加热全部体积的水，导致水的输出量很低。商业上可用的版本每平方米的覆盖面积每小时产生约0.3升水（ L/h/m²）。一个人每天需要大约3升的饮用水。为一个小家庭提供足够的饮用水大约需要5平方米左右的面积。理论上，在这种装置的最佳运行状态下，只能产生1.6  L/h/m²。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学家余桂华教授和他的同事最近报告了一种绕过这一极限的新方法。它包括水凝胶，以及形成一个三维多孔吸水网络的聚合物混合物。

余教授和同事用两种聚合物—— 一种叫做聚乙烯醇（PVA）的水结合聚合物，另一种叫做聚吡咯（PPy）的光吸收剂——制成了一种凝胶状海绵，然后把它们放在一个太阳能蒸馏器的水面上。

在凝胶内部，一层水分子与PVA紧密结合，每一层水分子都形成多个化学键，称为氢键。但由于它们的大部分键合能力都与PVA有关，结合水分子只能松散地与附近的其他水分子结合，最终形成了余教授所说的“中间水”。

由于中间水分子与相邻水分子之间的化学键更少，所以它们比普通水更容易蒸发。在这种情况下，它们会立即被蒸馏器中的其他水分子所取代。

使用这种技术，余教授的太阳能蒸馏器能够产生3.2  L/h/m²的水，这是理论极限值的两倍。余教授团队去年曾在《自然—纳米技术》杂志上报告了这一研究成果。

如今，余教授和他的同事已经研制了一种更好的水凝胶。这种水凝胶与第三种聚合物壳聚糖混合，后者能够强烈吸收水。在混合物中加入壳聚糖可以形成一种凝胶，能够容纳更多的水，从而增加了中间水的数量。

研究人员6月28日在《科学进展》杂志上报告称，使用这种新型水凝胶蒸馏水的太阳能蒸馏器能够以3.6 L/h/m²的速度工作，这是迄今报道的最高速度，大约是目前市面上同类产品的12倍。

“这是一个极好的起点。”沙特阿拉伯图瓦尔阿卜杜拉国王科技大学环境工程师Peng Wang说。Wang指出，在这样高的产水率下，1平方米的太阳能蒸馏器可以每天生产大约30升清洁饮用水，足够一个小家庭使用。

他说，更好的是，水凝胶中的所有3种聚合物都是商用的，而且价格便宜。这意味着，如果使用这些聚合物的蒸馏器足够坚固，它们可以为那些最需要的人提供干净的饮用水。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw5484

作者：赵熙熙 来源： 中国科学报

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