基于水凝胶超薄膜的高效膜蒸馏净水

【研究背景】

基于太阳能驱动蒸汽生成（SVG）的水净化技术可利用环保、可再生的太阳能实现对多种水源（海水、生活废水等）的净化，有望同时解决淡水资源匮乏和能源危机两大问题，从而引起了科研工作者的极大兴趣。近年来，一种结合了SVG和膜过程优点的光驱动膜蒸馏（Solar-MD）技术被开发了出来。然而，传统的solar-MD使用基于多孔疏水膜（例如PEFE膜）的光热膜，导致了不可避免的局部蒸汽浓度降和温度极化，使得后续的蒸汽收集变的困难，因此水产率仍然不能令人满意。

【工作简介】

近日，得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授、赵飞博士与深圳大学赵辰阳教授合作开发了一种水凝胶基超薄膜（HUM）并将其应用于solar-MD，协同实现了高效蒸气转移和环境能量收集，避免了温度极化，有效提升了solar-MD的水产率和能量效率。该成果发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。鲁恒毅博士为本文第一作者，赵辰阳教授、赵飞博士、余桂华教授为本文共同通讯作者。

【研究内容】

如图一b所示，在传统solar-MD体系中，疏水多孔膜阻止原料水（feed water）的泄露并允许其以蒸汽的形式通过，进而保证solar-MD过程的有效发生。然而，多孔膜的存在对蒸汽的扩散存在阻碍作用，也抑制了蒸发，使得系统的水产率不高。同时，温度极化效应的存在也降低了能量效率。与传统光热膜不同，HUM中水凝胶层独特的水运输行为使得原料水可以以液态渗透到膜表面，同时又可以阻止液态水从表面泄漏，从而保证了solar-MD过程的有效发生，并将蒸发前沿重新定位于HUM/气流（gas flow）界面处，从根本上消除了跨膜蒸汽传输。并且，HUM的高蒸发速率引起的蒸发冷却效应使得蒸发前沿温度低于环境，从而实现了自发的环境能收集并避免了温度极化效应，提高了能量效率。因此，所获得的输出湿气流的相对湿度获得显著提升，进而实现了不依赖于制冷装置的蒸汽冷凝。基于这些特点，HUM基solar-MD系统可以在不借助额外冷凝装置时，在一个太阳光下实现2.4 kg m^-2 h^-1的高净水产率。此外，HUM的原材料成本仅为0.36 $ m^-2，并且HUM基solar-MD系统的淡水生产成本可低至约为0.3-1.0 $ m^-3。总之，该工作表明基于HUM的solar-MD是一种有应用潜力的可持续净水策略。

图一、a)自然水循环示意图；b)传统solar-MD和HUM基solar-MD在蒸发界面位置、湿度分布、温度分布、能量流动方面的比较。

图二、a)HUM照片；b)HUM结构示意图；c）HUM截面SEM图；d）HUM本征和发生光蒸发时的光热行为。

图三、a）基于HUM的蒸汽发生器示意图；b）HUM在不同的条件下的光蒸发速率；c-d）载气流速和太阳光强度与蒸发速率和能量效率之间的关系。

图四、a-b）基于HUM的solar-MD系统在自然环境下的水产率和水收集率；c）HUM基solar-MD系统的长时间工作稳定性；d)HUM基solar-MD系统与文献中传统solar-MD系统的性能比较。

图五、基于HUM的solar-MD系统与文献中其他不含制冷配件的光驱动水净化系统的性能比较。

Lu, H.; Shi, W.; Zhao, F.; Zhang, W.; Zhang, P.; Zhao, C.; Yu, G. High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation. Advanced Functional Materials 2021, DOI:10.1002/adfm.202101036.

作者简介：

余桂华，美国得克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）和皇家物理学会会士（FInstP）。余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化材料的合理设计和合成，尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Materials Today 等国际著名刊物上发表论文210余篇，论文引用36,600余次，H-index 100。现任 ACS Materials Letters 副主编，是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委，如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Nano Research (Springer), Nature Scientific Reports, Energy Storage Materials (Elsevier), Science China-Chemistry, Science China-Materials, Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH)等。

赵辰阳，男，博士。2009年本科毕业于东华大学材料科学与工程学院，于2012年7月在复旦大学取得硕士学位，后获得全额奖学金于2012-2016年在新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院攻读博士，毕业后从事博士后研究一年。于2017年7月作为海外高层次人才引进深圳大学。广东省珠江团队成员。主要从事新能源的储存与转化研究，结合原位电化学表征（原位拉曼、XRD等）与DFT第一性原理模拟计算，主要涉及硫化物全固态电池、锂/钠离子电池、燃料电池和电催化反应等。目前已在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Chemical Engineering journal，journal of materials chemistry A等国际著名刊物上发表论文40余篇。