福建农林大学-袁占辉团队 | 水凝胶纤维织物实现高耐盐性太阳能海水淡化
【文章简介】
近日，福建农林大学材料工程学院袁占辉教授团队（生物质基先进催化及功能材料团队）在太阳能海水淡化领域取得进展，在国际材料、能源类顶级期刊《Nano Energy》在线发表论文题目为“Hydrogel Fiber Fabric Combining Rapid Water Transport, Thermal Localization, and Large-Scale Production For Ultra-High Salt-Resistant Solar Desalination”。福建农林大学为本文第一完成单位, 团队负责人袁占辉教授为第一通讯作者，硕士研究生俞建勇为第一作者，福建农林大学的李建国教授、澳大利亚昆士兰大学的Minsu Han教授，陕西科技大学安盟副教授和东华大学的陈硕副教授为共同通讯作者。
【研究背景】
近年来，太阳能海水淡化技术具有低能耗、绿色环保的特点受到了越来越多的关注。由于在海水淡化过程中盐分在蒸发界面结晶沉积会严重破坏其蒸发性能，甚至使得太阳能蒸发器无法继续使用，这要求太阳能蒸发器需要具有良好的耐盐性能。此外，目前绝大多数具有耐盐性的太阳能蒸发器的制备方法都难以规模化生产，而这恰恰是实现太阳能海水淡化工业化的关键所在。因此，合理设计一种同时具备优异蒸发速率、超高耐盐性和规模化生产的太阳能蒸发器至关重要。
【文章内容】
1.HFF-C蒸发器的设计思路
为了解决上述问题，本论文通过湿法纺丝方法制备了海藻酸钠/还原氧化石墨烯(SA/rGO)水凝胶纤维，并进一步利用编织技术制备了紧密编织的水凝胶纤维织物(HFF-C)。HFF-C同时具备水凝胶和纤维织物的特点，并且合理的结构设计使得HFF-C蒸发器具有高效的水输送和优异的热管理性能。通过与块状水凝胶和松散编织的水凝胶纤维织物(HFF-L)的实验对比，证明了水凝胶纤维的多孔结构和纤维之间毛细效应的协同作用，使得HFF-C蒸发器具备优异的蒸发速率和超高的耐盐性(图1)。
图1。 a) 传统H-B蒸发器, b) HFF-L蒸发器原理说明;水凝胶纤维间距为1mm, c) HFF-C水凝胶蒸发器;水凝胶纤维之间几乎没有空隙。
2.HFF-C的制备过程
此外，HFF-C具有规模化制备的潜力，如图2所示，该方法可以大规模的制备SA/rGO浆料，通过湿法纺丝方法可以制备上百米的水凝胶纤维，并且通过编织机制备了大面积HFF-C蒸发器(13×100 cm2)，证明了该方法具有工业化应用的前景。通过SEM发现水凝胶纤维具有多孔结构，这也有利于水分的传输。
图2。(a) H-B、HFF-L、HFF-C的制备过程示意图。b) SA/rGO复合浆料,c) 在卷筒轴上收集的水凝胶纤维, d) HFF-C的编织过程, e) 大面积的HFF-C蒸发器(13×100 cm2)。(f)水凝胶纤维的SEM横截面图。
3.HFF-C的水传输和热管理能力
如图3a所示，三种蒸发器的表面温度在10分钟内升到了33.8℃，并且热量被限制在二维的蒸发表面上用于水分蒸发，而没有向下传递热量，从而减少了热量损失(图3b)。这是由于在蒸发器的底部引入隔热泡沫来阻止向下的热量传递，展示了出色的热管理能力。为了进一步了解HFF-C的潜在机制，采用有限元模拟方法对H-B、HFF-L和HFF-C三种蒸发器的水传输和热分布进行了计算。如图3c-e所示，三种蒸发器的水流速分布。HFF-C促进水在水凝胶纤维之间的运输，保持高流速传输到二维蒸发表面。水凝胶纤维之间的快速水输运主要来源于水分子的非连续集体扩散从而减少水分传输的阻力。此外，快速的水分传输也增强了离子的输送，这有助于避免蒸发表面的盐结晶。 但过多的水输运也会增加热量损失，不利于水分的蒸发。为了实现高速率的水蒸发和耐盐性，热量需要被限制在蒸发表面上。我们对三种蒸发器的温度分布进行了数值模拟(图3f-h)。HFF-C不仅具有高效的水分输送能力，而且它还能有效地将热量集中在蒸发表面为水分蒸发提供能量。证明了HFF-C具有高效的水传输能力和热量定位能力。
图3。a)三种蒸发器在一倍太阳光下的升温曲线。(b) H-B (左)、HFF-L (中)、HFF-C(右)蒸发器的红外图像。c) H-B、d) HFF-L、e) HFF-C水流量分布数值模拟结果。f) h - b、g) HFF-L、h) HFF-C温度分布数值模拟结果。
4.HFF-C的海水淡化性能
通过拉曼光谱证明了水凝胶存在中间态的水，并且理论计算也进一步证明了水凝胶可以降低水分蒸发所需的能量 (图3b-d)。如图3e所示，经过计算HFF-C的等效蒸发焓与纯水相比出现明显下降。对三种蒸发器的海水淡化性能进行测试，如图3f-h所示，HFF-C蒸发器在20 wt%的盐水中仍具有优异的蒸发速率(4.13 kg m-2 h-1), 在光照8小时后，蒸发器表面没有发生盐沉积的现象，并且能够一直保持优异的蒸发速率，而H-B和HFF-L的蒸发器表面在光照8小时后均被盐覆盖，并且速率出现了明显下降，这也进一步证明了HFF-C结构的优越性。经过与已报道的文献相比，HFF-C蒸发器的速率具有明显优势。
图4所示。(a) H-B、HFF-L和HFF-C三种蒸发器在一倍太阳光照射下的质量变化。(b)拉曼光谱。(c) SA和水的分子模拟图片。(d) Owater和Owater之间的RDF曲线。(e) 纯水、H-B、HFF-L和HFF-C蒸发器在黑暗条件下的蒸发速率和等效蒸发焓。(f) H-B、HFF-L和HFF-C蒸发器在不同浓度盐水中的蒸发速率。(g) H-B、HFF-L和HFF-C蒸发器在20 wt%盐水中光照8 小时的表面盐结晶照片。(h) H-B、HFF-L和HFF-C蒸发器在20 wt%的盐水中蒸发速率的变化。(i) HFF-C蒸发器与文献的对比图。
5.HFF-C耐盐的机理分析
为了进一步证明HFF-C的耐盐性能，将固体盐颗粒放在H-B和HFF-C蒸发器表面。HFF-C表面的盐颗粒在20min内逐渐溶解到底部水中，而H-B表面的盐颗粒却仍未溶解(图5a和5b)。HFF-C优异的耐盐性能可归因于其超亲水性、多孔结构和纤维间的毛细力。此外，由于大量的水分被蒸发，HFF-C中的高浓度盐水与模拟海水之间产生盐度差，这有利于盐离子从HFF-C的表面通过对流和扩散回流到底部水中 (图5c)。并且通过理论计算进一步证明了，盐离子在HFF-C蒸发器中能够快速扩散并回流到底部水中。因此，HFF-C蒸发器表面的盐浓度低于结晶浓度(图5f)，而H-B和HFF-L蒸发器表面的许多区域浓度大于5400 mM，从而导致盐结晶。
图5。a) H-B和b) HFF-C蒸发表面盐颗粒溶解情况。c) HFF-C表面的高浓度盐通过扩散和对流回流到底部。d) H-B、e) HFF-L、f) HFF-C的盐度分布数值模拟结果。
6.HFF-C的室外实验
如图6a所示，利用编织机成功制备了大面积HFF-C蒸发器 (20×20 cm2)。它具有良好的机械性能，可折叠，灵活性高，便于储存和使用。如图6 b和c所示，大面积HFF-C蒸发器在室外阳光照射下生产淡水，经过10小时的照射可以生产570 g的淡水 (图6d)。经过淡化之后的离子浓度达到了可饮用的标准 (图6e)。
图6。a-c) HFF-C蒸发器室外测试。d)室外环境条件。e)海水淡化前和后离子浓度的变化。
【结论】
本研究提出了一种新颖的基于太阳能水凝胶的蒸发器设计理念，首次结合水凝胶和纤维织物的优点制备了HFF-C蒸发器。通过合理的结构设计使得HFF-C蒸发器具有高效的水传输能力和良好的热定位的能力。HFF-C蒸发器在20 wt%的盐水中具有优异的蒸发速率(4.13 kg m-2 h-1), 在光照8小时后，蒸发器表面没有发生盐沉积的现象，同时HFF-C具有大规模制备的能力。本研究为太阳能海水淡化蒸发器提供了新的思路。
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