Adv. Mater. | 模仿河豚吸水吐水：一种可在太阳能驱动下净水的仿生弹性水凝胶
今天给大家分享一篇最近发表在Advanced Materials上的文章，题为“A Bioinspired Elastic Hydrogel for Solar-Driven Water Purification”，通讯作者是美国普林斯顿大学的Rodney D. Priestley教授。
人口快速增长、气候变化、水资源污染等问题使得全球水资源状况持续恶化。许多科学家正在研发处理污水的新技术，以实现水资源的可持续利用。
当河豚受到威胁时，会吸水膨胀；当威胁消失后，又会吐出水恢复原来的形状。受到该启发，Priestley教授团队开发了一种具有光（热）响应性的太阳能吸收凝胶(Solar Absorber Gel, SAG)，这种水凝胶可以在33℃左右的低临界相转变温度(LCST)下实现亲疏水性的转变，在低于33℃时，这种水凝胶具有亲水性，可以吸收污水；当受太阳光辐射，温度高于33℃时，水凝胶变为疏水性，可以排出干净的水，从而实现利用太阳能驱动来高效地净化污水。（图1）
图1. 受河豚启发，热响应性水凝胶SAG在太阳光辐射下净水原理示意图
SAG是通过在具有大孔结构的聚（N-异丙基丙烯酰胺）(PNIPAm)水凝胶上沉积聚多巴胺(PDA)并吸附交联海藻酸钠(SA)来制备的（图2）。PNIPAm在其中作为一种具有多孔结构的柔性介质，负责水的贮存和运输。PDA可以在宽频带内吸收太阳能，具有极高的光热转换效率。此外， PDA中存在的氨基和芳香基团可以螯合重金属离子以及吸附有机染料分子，可以实现水的净化。SA均匀地附着在水凝胶表面，赋予水凝胶一定抗污性能。
传统的双交联PNIPAm凝胶是脆性的，并且亲水性较差，而经过改性后的SAG具有较好的弹性和亲水性，从而保证了污水在水凝胶内的输送和净化效果。在多次压缩-解压疲劳试验中，SAG仍能保持较好的力学性能。作者通过记录水滴在室温下的动态润湿行为，研究了PDA和SA对PNIPAm润湿性能的影响。水滴在PNIPAm表面上保持稳定，与水的接触角约53º；PDA改性的PNIPAm使得改性后水接触角在30 s内从50º下降到20º；当PNIPAm表面同时结合SA和PDA层后，水滴可以在30 s内迅速吸收到水凝胶中。
SAG的另一个优点是可以在其较低的LCST处发生相变而引起水释放。差示扫描量热法(DSC)证实了其LCST约为33℃。此外，紫外-可见-近红外光谱结果表明，SAG可以对波长200～1800 nm的光表现出广泛而高效的吸收。
基于以上优点，1 kW/m2的模拟日照可以使SAG的表面在短时间内快速、均匀地达到临界溶液温度，紧接着内部发生相转变，开始释放液态水，净水流量可以达到7.18 kg/(m2·h)。整个净水过程不依赖水的蒸发，较传统净水方式而言更节约能源，而且效率也更高。
接着，作者测试了SAG对于含有染料、重金属、油性物质、微生物的不同污水的处理效果，发现其在多种场景下都有出色的表现。
对于具有不同分子量和电荷的有机染料，SAG都表现出令人满意的净化效果。在各自使用SAG处理一次后，罗丹明6G(R6G)（图3b）、甲基橙(MO)和4-硝基苯酚(4-Nip)在水中的含量分别降低了97.1%、87.7%、84.0%。对于铅含量25 ppm的污水，经SAG处理一次后，铅含量降至3.7 ppm，两次后，更是降至0.012 ppm，达到美国环境保护署(EPA)饮用水标准（图3c）。在含有己烷、环己烷或石油醚的油水混合物乳液中，SAG的超亲水性阻止了油的吸收，发挥了较强的净水能力（图3d）。并且SAG对微生物也有较好地去除能力（图3e）。这种材料在重复使用十次后，净水性能也几乎没有变化，表明其具有较好的耐用性。
最后，为了更贴近实际应用场景，卡内基湖被选作实验场地，一个由SAG制成的净水系统漂浮在湖面上（图4a）。一开始，湖面温度约为25℃，SAG吸收湖水。4分钟后，净化系统在自然阳光下表面温度达到34℃（图4c），从水凝胶中释放出洁净的水，通过多孔板流到容器底部（图4b）。处理前后湖水的显微镜图像显示，各种微生物被除去（图4d-e）。净化前后的水电阻值分别为0.16 MΩ和0.87 MΩ，净化后电阻值高于生活用水电阻值(0.74 MΩ)（图4f）。以上结果表明，SAG的净化是有效的。
综上所述，本文介绍了一种高效、节能、可持续的净水方式。这种水凝胶的设计具有模块化的特点，今后可在多方面拓展功能，以满足不同场景的净水需求。