美国东北大学郑义教授课题组JMCA：在基于海洋生物材料的水凝胶太阳能蒸发器上取得进展

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界面蒸发太阳能海水淡化对于缓解全球淡水危机来说是一种很有前景的低成本方式。近年来，因其能有效降低水的蒸发焓而显著提高水的蒸发效率，水凝胶逐渐成为一种广受欢迎的太阳能驱动的界面蒸发器的制作材料。但是对于蒸发器来说，在追求高效的蒸发表现的同时，材料的可持续发展性也备受关注，尤其考虑到蒸发器在工作状态中的生物适应性，可持续性，无毒性和在报废状态下的生物可降解性。

对此，郑义教授团队联合National Renewable Energy Laboratory (Dr. Shuang Cui) ，Marine Biological Laboratory (Prof. Joseph A. DeGiorgis) 和Providence College (Prof. Yinsheng Wan) 制作了完全基于壳聚糖 (CS) 和墨鱼汁粉末 (CI) 的多孔结构的水凝胶可作为高效稳定的具有排盐能力的太阳能蒸发器。在一个太阳照射下，蒸发速率高达4.1 kg m^-2 h^-1 (图1) 。

图1. 完全基于海洋生物提取物的CI/CS太阳能蒸发器的示意图。

图2. CI/CS水凝胶的制备流程图。

该太阳能界面蒸发器是以基于壳聚糖的水凝胶为主体进行海水的输送和热量的积聚，混合以黑色的墨鱼汁粉末作为光热材料进行太阳辐射的吸收并将之转化为热能，最后采用冻干的方式使其产生三维的内部相互交通的多孔性结构 (图2)。壳聚糖是一种多糖材料，来自于甲壳素的 N-脱乙酰化，是自然界中存在丰富的氨基多糖，主要是从甲壳类动物 (如螃蟹和虾) 提取而来。墨鱼汁中含有天然的黑色素颗粒，使得它具有很高的宽带太阳光谱吸收率，从而跻身于光热材料库中的一员。这些主要提取自海洋生物的制作材料，使得蒸发器实现了取自于海洋，且用于海洋。

图3. (a) CI/CS 水凝胶的太阳辐射吸收比。(b) 不同入射光角度下CI/CS 水凝胶的太阳辐射吸收比。(c) 动态水接触角测量。(d) 不同浓度的CI/CS水凝胶的水吸收比。(e) 不同浓度的CI/CS水凝胶在干的状态和湿的状态下的热导率。(f) 2 wt% 的CI/CS水凝胶的压缩应力-应变曲线。

由于黑色素本身对太阳光有着高吸收率，且CI/CS 水凝胶外表面的多孔结构也有助于光的捕捉，即使针对不同角度的入射光照，该水凝胶也展现了统一的高吸收率，是一个很理想的光吸收器 (图3a, b)。此外，由于本身材料的亲水性和整体结构的多孔性，CI/CS蒸发器也具有很好的吸水能力，从而保证了能持续地给蒸发表面供水进行水的蒸发 (图3c-e)。

图4. (a) 室内蒸发实验装置示意图。(b) 不同供水方式装置示意图。以 (c) 棉布和(d)直接接触作为供水方式的蒸发器在工作过程中的红外热像图。(e) 不同供水方式的蒸发器在工作过程中水凝胶中心温度随时间变化曲线。(f) 在一个太阳照射下，水的质量随着时间的变化。(g) 不同浓度的蒸发器的蒸发速率的比较。(h) CI/CS水凝胶中水的拉曼光谱和谱带拟合。(i) 基于生物材料的不同的太阳能界面蒸发器的蒸发速率的比较。

在室内的太阳驱动下的水蒸发实验当中，他们对比了两种对CI/CS水凝胶的供水方式，一种是采用无纺织棉布作为传输水的通道，另一种是将水凝胶直接接触水溶液 (图4a, b)。在一个太阳照射下，采用棉布作为供水方式的蒸发装置具有更高的表面稳定温度 (48℃) 和蒸发速率 (4.1 kg m^-2 h^-1) (图4c-f)。CI/CS水凝胶蒸发器具有超出理论值的蒸发速率，得益于它能降低存在于水凝胶中的水的蒸发焓值。通过对其进行拉曼光谱分析可得，在CI/CS水凝胶中，中间水与游离水的比值为1.31.

图5. (a) 在一个太阳照射下，不同盐浓度溶液的质量随时间的变化。(b) CI/CS水凝胶盐积聚实验装置示意图。(c) 盐颗粒积累在CI/CS水凝胶表面照片。(d) CI/CS水凝胶排盐原理示意图。(e) 盐随时间溶解反渗过程。CI/CS水凝胶对外加盐颗粒反渗能力测试 (f) 实验装置和 (g) 随时间变化过程。 (h, i) CI/CS水凝胶在长时间光照条件下的蒸发稳定性测试。(i) 不同光照强度下的蒸发速率测试。(k) 太阳能盐水淡化前后盐度比较。

在正常一个太阳照射下的工作条件下，CI/CS蒸发器能在不同盐浓度的溶液中稳定高效的工作，且不会有盐颗粒的积累 (图5a)。为了展示它的良好的排盐性能，他们采用高倍聚光比照射水凝胶且供以20 wt% 盐浓度的水溶液，加速蒸发表面盐颗粒的形成和聚集 (图5b,c)。当把蒸发器重新放置在3.5 wt% 盐浓度的水溶液上时，由于离子浓度差和强大的供水能力，所积聚的盐颗粒会在短时间内溶解并反渗回底部溶液中，从而实现盐的自清洁过程 (图5d, e)。即使对于大量的外加的盐，CI/CS蒸发器也同样表现出了良好的自清洁能力 (图5f,g)。在长时间稳定性测试中，该蒸发器的蒸发速率能够稳定在4.1 kg m^-2 h^-1左右，且所蒸发的水的质量符合规定饮用水标准 (图5h-k)。

相关论文以题为Seawater desalination derived entirely from ocean biomass 发表在《Journal of Materials Chemistry A》，同时并被选为封底图片。通讯作者是美国东北大学郑义教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D1TA05068K

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