艾德思：水凝胶太阳能水净化构建高度可水合聚合物网络调节水状态

淡水 是一种有限的自然资源,它对所有生态系统的生存至关重要.如今,超过40亿人受到严重淡水短缺的影响.随着人口增长,淡水资源的污染和气候变化,提供充足和安全的淡水具有更大的挑战性.因此,开发高效,低成本和可扩展的技术来净化丰富的海水和废水是十分迫切的.太阳能水净化能使用可再生能源蒸馏水,去除水中污染物,是一种很有希望缓解淡水稀缺的技术.但是,水蒸发所需要的高能量限制了自然阳光下的水纯化产量.发展与设计可降低水蒸发能量需求的新材料可实现高效快速的太阳能水净化.

近日,国际顶尖期刊 Science Advances 报道了 美国德州奥斯汀分校 余桂华教授 课题组 构建的 一种具有高度可水合聚合物网络的光吸收水凝胶(h-LAH)用于太阳能水净化 .此水凝胶由具有光热转换性能的聚吡咯(PPy)和聚乙烯醇(PVA)与壳聚糖(chitosan)组成的高分子网络形成.由于水分子与高分子链上官能团的相互作用,水合聚合物网络中存在三种水,分别为结合水,中间水和自由水.水凝胶中的聚合物链可以通过强相互作用(如氢键)捕获附近的水分子,形成结合水(图1,深蓝色区域).相反,远离聚合物链的水分子(称为自由水,FW)表现出与纯水相同的性质(图1,浅蓝色区域).在结合水和自由水之间的中间区域(图1,黄色区域),水分子与聚合物链和相邻水分子呈现相对微弱的相互作用,称为中间水(IW).与纯水相比,中间水可以通过更少的能量蒸发.此文通过调控聚合物与水的相互作用,改变了水凝胶中的水状态以及水相变行为,降低了水蒸发的能量需求.基于h-LAH的太阳光水蒸发在一个太阳光下的 蒸发速率可以提高到3.6kg m -2 h -1 ,能用于去除各种可溶性离子污染物,具有防污功能和耐久性,可实现高效,可扩展且经济高效的太阳能水净化.

图1.基于h-LAH的太阳能水蒸气的产生

为了降低水蒸发的能量需求,此文构建了由不同比例的PVA和壳聚糖组成的聚合物网络.随壳聚糖比例的增加,h-LAHs的水合性逐渐提高.这是由于壳聚糖链上存在高度可水合的-NH 2 基团(图2B),与-OH集团相比它能吸收更多的水分子.除此以外,h-LAHs中IW的含量也随壳聚糖比例的提高而增加(图2C),降低了水的蒸发焓(图2D).因此,通过调控聚合物与水之间的相互作用,水的状态以及其相变行为可被改变.

图中的可调节的水状态和蒸发焓

h-LAH不仅可用于高效太阳能海水淡化,还可用于纯化酸,碱以及除去重金属离子,在净化含有多种离子污染物的工业污水方面有巨大的潜力(图3).

图3.基于h-LAH的太阳能水蒸发

参考文献:

Architecting highly hydratable polymer networksto tune the water state for solar water purification. Xingyi Zhou, Fei Zhao, Youhong Guo,Brain Rosenberger, Guihua Yu. Sci. Adv.,2019, 5, eaaw5484. DOI: 10.1126/SCIadv.aaw5484

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