太陽能蒸發(fā)器被認(rèn)為是解決水資源短缺問題的一種前瞻性方法。最近，中國礦業(yè)大學(xué)胡振琪教授、王虹教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種基于氣凝膠的太陽能蒸發(fā)器，具有自推進(jìn)和自修復(fù)行為，可實(shí)現(xiàn)有效的海水淡化和增強(qiáng)的重金屬去除。氣凝膠太陽能蒸發(fā)器由具有不對稱金沉積層的席夫堿水凝膠通過簡單的冷凍干燥方法制備。
水凝膠由殼聚糖和二醛淀粉組成，Au層產(chǎn)生熱梯度來驅(qū)動氣凝膠太陽能蒸發(fā)器的自推進(jìn)。此外，席夫堿水凝膠中涉及的動態(tài)連接使氣凝膠太陽能蒸發(fā)器具有在外部損壞時(shí)的自愈能力。同時(shí)，使用席夫堿骨架作為氣凝膠蒸發(fā)器與水分子之間的相互作用位點(diǎn)，以降低水的蒸發(fā)焓。
此外，氣凝膠蒸發(fā)器被設(shè)計(jì)成小橢圓球體和多孔結(jié)構(gòu)，這為氣凝膠蒸發(fā)器提供了優(yōu)異的水蒸發(fā)行為，在 1 太陽光照射下，在天然海水中的蒸發(fā)率為 3.12 kg m-2 h-1。這種太陽能蒸發(fā)器的自推進(jìn)能力和自愈性能提供了凈化效率提高、耐久性好、穩(wěn)定性好（第10天保持88.2%以上）和高抗鹽性（200 g·kg-1保持80%）等優(yōu)點(diǎn)。更值得注意的是，水中的重金屬離子在蒸發(fā)后已被有效去除至可飲用的水平。這些結(jié)果證明自走式氣凝膠太陽能蒸發(fā)器在現(xiàn)場海水淡化和凈化的實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的前景。相關(guān)論文以題為Self-Propelled Aerogel Solar Evaporators for Efficient Solar Seawater Purification發(fā)表在《Langmuir》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖 1. (a) 示意圖制造過程、(b) 結(jié)構(gòu)示意圖、(c) FTIR 光譜、(d) SEM 圖像和 (e) 氣凝膠蒸發(fā)器的 EDS 映射。
圖 2. 近紅外光下氣凝膠蒸發(fā)器的運(yùn)動軌跡，功率為 (a) 1.5 和 (b) 2 kW m-2，持續(xù) 6 秒。(c) 在 NIR 光下氣凝膠蒸發(fā)器的 MSD-Δt 圖。
圖 3. (a) 氣凝膠蒸發(fā)器自修復(fù)過程的 SEM 圖像。愈合后的氣凝膠微電機(jī)在近紅外光下的運(yùn)動軌跡，功率為（b）1.5 和（c）2 kW m-2，持續(xù) 6 秒。（d）在近紅外光下原始和愈合的氣凝膠蒸發(fā)器的速度。
圖4. (a) 氣凝膠蒸發(fā)器的吸收光譜和 (b) 水接觸角。
圖 5. 氣凝膠蒸發(fā)器在 1 太陽光照射下的水分蒸發(fā)性能。(a)氣凝膠蒸發(fā)器上表面的溫度變化，水蒸發(fā)過程中氣凝膠底部和正下方的水。(b) 質(zhì)量隨時(shí)間的變化。(c) 連續(xù)海水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。(d) 鹽度范圍為 0 至 300 g kg-1 時(shí)的耐鹽性能。
圖 6. (a) 太陽能脫鹽性能和 (b) 氣凝膠蒸發(fā)器的金屬離子吸附行為。
【總結(jié)】
團(tuán)隊(duì)通過簡單的冷凍干燥方法制造了自走式氣凝膠蒸發(fā)器。由席夫堿水凝膠和沉積的金層組成的氣凝膠蒸發(fā)器被設(shè)計(jì)成具有高度多孔結(jié)構(gòu)的橢圓形。在1個(gè)太陽光照下，自來水蒸發(fā)速率可達(dá)3.2 kg m–2 h–1，天然海水蒸發(fā)速率可達(dá)3.12 kg m–2 h–1。蒸發(fā)器的自推進(jìn)，由 Au 層產(chǎn)生的熱梯度驅(qū)動，增加了一個(gè)特殊的運(yùn)動維度來執(zhí)行現(xiàn)場凈化任務(wù)，并提供了通過自攪拌提高效率的可能性。同時(shí)，動態(tài)席夫堿鍵和氫鍵賦予的自修復(fù)性能使氣凝膠蒸發(fā)器具有良好的耐久性和穩(wěn)定性。此外，席夫堿與金屬離子螯合的能力減少了蒸發(fā)后水中的重金屬離子。其在海水淡化和重金屬去除方面的優(yōu)異性能以及自愈和自推進(jìn)特性為實(shí)用的現(xiàn)場太陽能水凈化提供了可能性。
