天工大张松楠课题组《Chem. Eng. J.》：可持续水收集与水处理用水凝胶材料的合成、机理与应用

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水资源短缺已经成为现代人类面临的最具挑战性的困难之一，针对这一严重问题，人们采取了有效的方法最大限度地利用地球上的水资源生产淡水，包括海水淡化、废水处理、大气集水等。水凝胶作为一种具有较强吸湿性能的三维多孔结构高分子材料，具有较强的亲水性和良好的孔结构，在水吸收和运输方面均表现出显著优势。此外，水凝胶可以降低水分蒸发所需的蒸发焓，显著提高脱水能力。鉴于此，近年来研究人员开发了多种可用于海水淡化、废水处理的水凝胶太阳能蒸发器以及可用于水收集的水凝胶大气集水器。

近日，天津工业大学纺织科学与工程学院张松楠副研究员课题组系统总结了可持续水收集与水处理用水凝胶材料的合成、机理与应用，该工作论文以“Hydrogel materials for sustainable water resources harvesting & treatment: Synthesis, mechanism and applications”为题发表在Chemical Engineering Journal ( IF：13.273)上。

该论文首先介绍了用于制备水凝胶材料的合成路线，系统总结了化学交联、物理交联和双网络交联等合成方法的特点及优缺点（图1）；其中化学交联水凝胶通过交联共价键形成，为水凝胶提供了所需的机械刚性。物理交联水凝胶通过非共价键相互作用形成，包括氢键、链缠结、疏水相互作用、结晶等。而双网络水凝胶包含两个互穿聚合物网络。一种是强共价交联聚合物网络，另一种是松散的非共价（链缠结、范德华力、静电相互作用、氢键和聚合物之间的疏水缔合）交联物理网络。

随后，文章详细介绍了水凝胶的吸水和释水机理及其影响因素，吸水过程主要通过Flory理论和网络结构理论进行阐明。水凝胶在吸水时可以看作是由聚合物电解质和水组成的离子网络，在离子网络中，存在由聚合物电解质离子组成的可移动离子对。当聚合物吸水时，亲水基团和水分子的水合作用拉伸聚合物网络，导致网络内外离子浓度的差异，在渗透压下促使水分子进入网络结构。而释水过程可以通过改变水凝胶的结构和组成加快水的释放，组成方面可以添加光吸收剂，如碳基材料（氧化石墨烯、碳纳米管、碳球等）、金属材料（金、银）和其他材料（多巴胺、聚吡咯）等；结构方面通过增加水凝胶表面粗糙度，减少热反射损失，或者使用轻质隔热材料，防止水和吸收器之间的直接接触，以减少热传导损失，加快水凝胶的水分释放速率。

图1. 水凝胶材料在可持续清洁水生产中的应用，包括海水淡化，湿气收集，雾气收集，和废水处理

同时，文章重点介绍了近年来水凝胶材料作为湿气、雾气等大气集水，重金属离子、有机污染物等废水处理和海水淡化的最新研究进展。目前，构建用于集水的水凝胶材料的方法主要有三种：一是在水凝胶中掺入吸湿材料（氯化钙、氯化锂、氯化镁等）收集大气水，在低环境湿度条件下对大气水具有特殊的收集效果。第二种是将超吸湿材料（MOF、COF）与水凝胶结合，通过协同作用加速水凝胶的吸湿膨胀。第三种是将温度敏感聚合物材料（聚N-异丙基丙烯酰胺、聚N, N-二乙基丙烯酰胺、聚N-乙烯基己内酰胺）引入水凝胶中，制备具有温度和湿度响应性的水凝胶。针对海水淡化，研究人员开发了可用于海水淡化的水凝胶太阳能蒸发器，由于其与水分子的独特相互作用，该水凝胶蒸发器具有较强的亲水性，在海水淡化方面具有显著优势。此外，为了确保持续脱盐，外部能源主要使用清洁可再生能源（太阳能），可以满足脱水过程的能耗，使处理过程更加绿色环保。目前，废水处理方法包括吸附法、生物降解法和光催化降解法。其中，吸附法具有处理效率高、成本低、能耗低等优点，是去除废水中染料和重金属离子的重要方法之一。作为一种典型的吸附材料，具有高比表面积和低密度的三维网络结构水凝胶材料近年来广泛应用于环境污染的处理，如重金属吸附、印染废水处理、有机废水净化等。

大气集水、废水处理、海水淡化是可持续水收集与水处理用水凝胶材料应用的重要方向，三个方面的研究对于水凝胶材料的发展具有重要的现实意义。因此，文末针对这三个方向，详细阐明了现阶段存在的问题与挑战，展望了未来水凝胶材料在集水与水处理领域的发展前景，并对水净化和能量收集提出了美好设想。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135756

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