【成果简介】
近日，成都理工大学李小可课题组与西安交通大学敬登伟教授合作，在期刊《Chemical Engineering Journal》（IF:15.1，中科院1区TOP）发表了题为“Biomimetic hydrogel with directional heat regulation for efficient solar desalination”的研究论文。受自然界中蘑菇蒸腾作用的启发，构筑了一种基于莲藕粉（LR）/聚乙烯醇（PVA）的仿生结构水凝胶蒸发器（PLBH）。通过实验和数值模拟研究了蒸发器的热损失降低机制以及对海水、污水和有机染料废水的综合处理能力。
【研究背景】
目前，水资源短缺已成为公众关注的一个重要问题。太阳能驱动界面蒸发（SIE）作为一种前景广阔的技术已被提出，它利用太阳能将各种盐水（海水、苦咸水、废水等）蒸发转化为供人类饮用的清洁水。水凝胶因其独特的三维骨架结构、特殊的亲水性以及优异的化学和物理性能而被广泛用作光热转换材料。然而，大多数水凝胶蒸发器的蒸发性能仍不能满足海水淡化实际应用的要求。主要原因是材料的热损失和表面盐沉积问题，它们无法有效减少长时间连续脱盐过程中产生的垂直热传导，尤其是在高浓度盐分的情况下。因此，如何建立一种可同时定位热量和排出盐离子的水凝胶拓扑结构，是在处理高盐度废水时实现稳定蒸发性能的关键。
蘑菇是自然界中的一种植物，其特点是横截面大的黑色蘑菇伞和纤维状的菌柄。菌柄可通过内部水循环瞬间为菌褶提供充足的水分。同时，它的多孔结构提供了一条水分运输通道。此外，这种特殊的结构还能为水运输层建立传热边界，从而最大限度地减少传热损失。受此启发，成都理工大学李小可课题组设计了一种基于莲藕粉（LR）/聚乙烯醇（PVA）的仿生蘑菇结构水凝胶蒸发器（PLBH）。PLBH的“菌柄”（输水层）是可靠的供水来源，并通过毛细作用促进水的向上输送。为了提高系统的性能，采用了较大截面的“菌褶”（蒸发层）来减少底部水的热量损失，并在蒸发层中加入墨水改性的碳量子点和二氧化碳（i-CQDs-TiO2）来增强太阳能吸收和实现光催化功效。基于盐水输送和光热管理的出色协同性能，PLBH显示出卓越的耐盐性。在海水淡化过程中重新溶解盐分，防止盐分颗粒在表面积聚。在1太阳光强度（1 kW⋅m-2）下，PLBH的蒸发率高达3.78 kg⋅m-2⋅h-1，而且在广泛的pH值和盐度范围内，蒸发都保持稳定高效。具体而言，在1-25 wt%的盐水中，平均蒸发率为3.49 kg⋅m-2⋅h-1，并且在连续5小时的太阳照射下，蒸发表面未观察到盐垢。此外，PLBH对TB和CR的降解率超过85%，这归功于TiO2和i-CQDs 的协同作用。该仿生结构太阳能蒸发器具有高效稳定的海水淡化能力，为可持续的太阳能海水淡化提供了一条新途径。
图1. PLBH 蒸发脱盐机制示意图。
图2. PLBH的制备过程。
图3. (a) 制备好的 PLBH 的图片；(b-e) 水凝胶的SEM图像；(f) 原料和水凝胶的傅立叶变换红外光谱；(g) TiO2和水凝胶的XRD测试。
图4. (a) 水凝胶在1个太阳下水的质量损失; (b) 蒸发速率和效率; (c)热损失降低机制结构示意图; (d) PLBH利用余热的蒸发实验; (e) PLBH的太阳能蒸发性能与之前报道的仿生结构蒸发器的比较。
图5. (a) PLBH 的接触角和饱和含水率测试; (b) PLBH表面水分蒸发过程的分子动力学模拟; (c) PLBH 的紫外-可见-近红外光谱; (d) 水凝胶的导热系数; (e) PLBH表面和下方水的温度；(f) PLBH、PLJH 和 PLH 的表面温度; (g) 用红外热成像仪测试的 PLBH 表面温度; Fluent模拟平面 (h) PLBH (i) PLJH 的温度分布。
图6. (a) 不同浓度盐水的质量损失; (b) PLBH 在不同盐水中的蒸发速率; (c) 耐盐测试; (d) PLBH的循环测试；(e) 海水淡化前后不同盐度盐水的TDS值; (f) 实际海水中离子浓度的变化; (g) 不同pH值盐水的质量损失; (h) PLBH 在不同pH值盐水中的蒸发率; (i) 净化前后含盐废水pH值的比较。
图7. (a) i-CQDs 和 TiO2协同光催化降解的机理; (b) TB和CR的染料降解率; TB (c)和CR (d) 净化前后溶液颜色的对比。
图8. (a) 户外蒸发装置的设计图; (b) 室外实验(10 wt%盐水)的蒸发速率; (c) 户外蒸发装置。
He Zhang, Xiaoke Li, Xiyuan Li, Yuping Du, Wei Xie, Size Zheng, Liu Yang, Jinwen Shi, Dengwei Jing, Biomimetic hydrogel with directional heat regulation for efficient solar desalination, Chemical Engineering Journal, 2023.
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