上海交大ITEWA团队CRPS：超高含盐量多孔膜封装复合吸附剂方法用于空气取水

【研究背景】

水资源在人类生产生活中发挥着至关重要的作用，然而由于人口增长、全球变暖和水质恶化等问题，世界上三分之二的人口已生活在水资源短缺地区。利用吸附材料的高亲水性，吸附式空气取水被认为是提供可用水资源的一种可行方法，其具有广泛的环境适应性，特别适用于干旱地区的水资源获取，且可利用太阳能或工业废热等低品位能源，实现绿色、低碳、可持续的水资源生产。

吸附剂的选择与开发是提高空气取水系统性能的关键。吸湿性盐（如氯化锂LiCl）在宽湿度范围内具有优异的水蒸气吸附能力，在吸附空气取水应用中表现出巨大的潜力，但吸湿盐的水蒸气吸附、吸收过程伴随着溶液体积膨胀，因而难以控制。传统的盐复合吸附剂通过多孔基质来限制盐溶液，实现快速的吸附过程，在一定程度上限制了盐溶液的泄露。但盐分的过量装载、吸附时间过长或环境湿度过高仍会产生盐液泄露风险。这不仅极大地限制了含盐吸附剂盐含量及其吸附能力的进一步提高，也会造成金属容器的腐蚀以及水质的恶化。因此，如何防止盐溶液泄露，突破含盐吸附剂的含盐量，提高吸附性能成为关键问题之一。

【内容简介】

近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气” 交叉学科创新团队ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)在Cell Press细胞出版社旗下物质科学旗舰子刊Cell Reports Physical Science上发表了题目为High-yield Solar-driven Atmospheric Water Harvesting with Ultra-High Salt Content Composites Encapsulated in Porous Membrane的研究论文。该论文提出一种透湿、防水、多孔膜封装含盐复合吸附剂的方法，利用具有合理孔径和材质的多孔膜的透湿防水性，完全解决盐复合吸附剂的在长时间吸附过程或高环境湿度下盐溶液泄露的风险，将复合吸附剂的含盐量提高至80 wt %。所合成复合材料具有快速动力学特性及高吸附能力的双重特性，适用于各种湿度下的水蒸气吸附工况，吸附量最高达到3.75 g-1.47 g_水/g_吸附剂（90%-30%RH），超过绝大多数含盐吸附剂的吸附量。最关键的是，该方法制作过程简便、成本低廉、可拓展性强，适用于任何含盐复合吸附剂，防止可能出现的盐溶液泄露、腐蚀、水质下降问题，有望使用于未来中大型、连续型空气取水系统以及吸附发汗散热等领域。论文的第一作者为博士生山訸，通讯作者为王如竹教授。

【文章简介】

1.超高含盐量复合吸附剂的合成与表征

以活性炭纤维毡复合氯化锂盐复合吸附剂为例来演示膜封装超高盐含量复合吸附剂的制备方法（图A）。

所选用的多孔透湿膜通过拉伸PTFE颗粒制成，因而其由大量的颗粒节点和拉伸纤维组成（图H、I）。根据拉伸程度不同形成不同的膜孔径，节点密度控制在~0.22-10μm范围内，使其具有可透过水蒸气分子（直径约0.4nm），但无法透过液态水的特性。一项直观实验证明了该特性（图G）。同时，PTFE膜本身的疏水性（图J）保证了其孔隙难以被润湿，在长期使用中保持良好的透湿性。因而，将吸附剂封装至透湿聚四氟乙烯（PTFE）多孔膜中，可在不过度影响水蒸气吸附速率的同时实现了盐溶液的限制，完全避免盐溶液的泄露。

此外，复合吸附剂截面形貌及能谱图证明了盐的在纤维表面的纳米级均匀装载，在80 wt %含盐量下仍基本不发生团聚，保证了较好的吸附速率（图E、F）。

2.复合材料吸附性能评估

为评估基质及多孔膜对吸附特性（尤其是吸附动力学）的影响，在相同条件下测试了纯LiCl盐，膜封装LiCl颗粒、高含盐量复合吸附剂HSCC以及膜封装高含盐量复合吸附HSCC-E10的动力学特性（图A）。盐颗粒由于堆积与团聚表现出相比于复合吸附剂更慢的吸附速率。复合吸附剂由于多孔基质提供的传质通道及纳米级盐颗粒带来的更大吸附面积，展示出快速吸附动力学特性。但对于无膜封装吸附剂，由于吸附过程中盐溶液的体积逐渐增大，超过了基质的孔容和毛细力，在5小时内即发生泄露。而膜封装吸附剂则将盐溶液被很好地限制在复合材料内部，在整个12小时的吸附过程中均不会发生盐溶液泄露（图B）。膜封装复合吸附剂在吸附过程中表现出盐复合吸附剂快速的吸附动力学和吸湿盐溶液吸附能力高的双重优势，在全湿度范围内表现出1.47-3.75 g_水/g_吸附剂30%-90%RH）的超高吸附量（图F、G），且不存在溶液泄漏的风险。

此外，评估了膜的孔径（图C、D）与复合吸附剂的含盐量（图E）对复合材料吸附量与吸附动力学特性的影响，证明采用10 μm孔径膜封装80 wt %含盐量复合吸附剂的最佳选择。

3.复合材料太阳能驱动的解吸性能评估

评估了不同含盐量吸附剂在不同太阳辐照强度下的解吸性能，进一步强调了使用膜封装方法来提高含盐量的必要性。膜封装的高含盐量复合吸附剂HSCC-E10在30 ℃, 70% RH吸附条件及1 kW/m²太阳光解吸过程中释放水量为2.21 g_水/g_吸附剂，即使在弱辐射强度（0.6 kW/m²）下也可以在6小时中实现1.69 g_水/g_吸附剂的释放，进一步表明其在不同环境下的应用潜力。

4.室内外空气取水器件演示

采用光学玻璃、选择性吸收板结合高含盐量吸附剂（干重8.152g）组成高性能空气取水组件，在实验室条件与室外条件下测试实际取水性能。在上海夏季户外条件下进行吸附与4小时自然光解吸实验，实现560 mL/m²的取水性能，所获水质符合世界卫生组织饮用水要求。

【作者简介】

第一作者-山訸，上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，师从王如竹教授，主要从事吸附式空气取水、海水淡化方面的研究。

通讯作者-王如竹，上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授，国家基金委创新群体负责人，荣获国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章、英国制冷学会J&E Hall国际制冷金牌、日本传热学会Nukiyama纪念奖、国际能源署Rittinger国际热泵奖等奖项，主持的成果获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家教学成果二等奖等奖励。

王如竹教授于2018年创建了ITEWA交叉学科创新团队(Innovative Team for Energy, Water& Air)，致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Matter、Nano Energy、Energy Storage Materials、Cell Reports Physical Science等国际知名期刊上发表系列跨学科交叉论文。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100664