重庆海水淡化蒸发器设备（Janus水凝胶蒸发器用于高效海水淡化和污水处理）

吃货 2023-06-12 01:19:55 323

重庆海水淡化蒸发器设备（Janus水凝胶蒸发器用于高效海水淡化和污水处理）本文背景解决淡水危机是人类社会的一个长期目标和挑战，但人口激增和工业化进程无疑加剧了安全用水的不可及性。海水淡化是解决水危机的有效方法之一。因此，许多新技术被应用于从海水中获取淡水，比如电渗析、离子交换等。这些方法等装置大型化和高能源消耗无疑不可避免的造成一定的经济压力。针对此问题，太阳能驱动的界面光蒸发是一种具有成本效益的海水淡化的关键方法，该方法可以通过太阳能有效地净化水资源（如海水、生活污水等），为低成本可持续的淡水供应提供了新的可能性。而具有独特三维孔道结构的水凝胶，由于其优秀的水传输能力及热局域能力，是太阳能界面光蒸发技术的常见材料之一。成果简介成都理工大学李小可课题组与西安交通大学师进文副教授合作，在化工领域国际权威期刊《Separation and Purification Technology》（工程技术1区 Top，IF = 9.136）发表了题为“Architectin

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第一作者：文劲（成都理工大学）

通讯作者：李小可研究员（成都理工大学）、师进文副教授（西安交通大学）

通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院

DOI：doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122403

成果简介

成都理工大学李小可课题组与西安交通大学师进文副教授合作，在化工领域国际权威期刊《Separation and Purification Technology》（工程技术1区 Top，IF = 9.136）发表了题为“Architecting Janus hydrogel evaporator with polydopamine-TiO2 photocatalyst for high-efficient solar desalination and purification”的研究论文。针对海水淡化过程中速率慢、成本高的问题，采用界面光蒸发技术，以常见的基体材料聚乙烯醇（PVA）和天然多糖（NPG-p，食物“冰粉”的原材料）构筑了一种具有互穿双网络的Janus结构的水凝胶，以加快太阳能驱动的海水淡化和多种污水处理。

研究背景

解决淡水危机是人类社会的一个长期目标和挑战，但人口激增和工业化进程无疑加剧了安全用水的不可及性。海水淡化是解决水危机的有效方法之一。因此，许多新技术被应用于从海水中获取淡水，比如电渗析、离子交换等。这些方法等装置大型化和高能源消耗无疑不可避免的造成一定的经济压力。针对此问题，太阳能驱动的界面光蒸发是一种具有成本效益的海水淡化的关键方法，该方法可以通过太阳能有效地净化水资源（如海水、生活污水等），为低成本可持续的淡水供应提供了新的可能性。而具有独特三维孔道结构的水凝胶，由于其优秀的水传输能力及热局域能力，是太阳能界面光蒸发技术的常见材料之一。

本文背景

作者制备了一种具有Janus结构的水凝胶蒸发器（JH），将传输层（BHL）与蒸发层（THL）分开，当水凝胶被太阳光照射时，THL可以吸收并将光转化为热量，有效地提供水的蒸发。从THL蒸发的水通过水凝胶内部的多孔通道及时从BHL补充到THL，为蒸发提供了充足的水。由于其独特的孔隙结构，通过分子动力学模拟，水分子可以迅速从Janus水凝胶的表面逸出。该水凝胶蒸发器工作稳定，在1个太阳的光强下，蒸发率达到3.53 kg⋅m-2⋅h-1。并且由于聚多巴胺（PDA）/二氧化钛（TiO2）纳米颗粒的协同光催化作用，能够降解95%以上的有机染料（胰蓝和刚果红）。该项工作为扩大水凝胶蒸发器在海水淡化和废水处理应用中提供了新的思路与可行的策略。

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图1 Janus水凝胶（JH）的结构和相应的太阳能驱动界面光蒸发机制示意图(THL是指顶层，BHL是指底层）。

图文导览

JH的水管理与光热转换性能：

通过对于Janus水凝胶的水管理性能与光热转换能力的评价，结果表明JH蒸发器具有良好的水化性能和强大的水转移性能，而且水凝胶合适的表面亲水性可以促进水凝胶的水分蒸发速度。水凝胶表面可以控制水在界面的分布，其亲水性增加了水的蒸发率。分子动力学模拟结果（MDs）揭示了水凝胶在原子水平上对水蒸发过程的影响。水凝胶也具有出色的光热管理行为。这些优秀的性能是作为水分蒸发过程的必要条件。

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图2 水凝胶中的水管理能力：BHL(b)和THL(c)的拉曼光谱和拟合曲线；BHL(d)和THL(e)冷冻干燥后的接触角;(f) BHL THL和JH的饱和水含量。

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图3 水凝胶的分子动力学模拟（MDs）： (a) JH蒸发系统的MDs的初始状态。(b)到(d)水凝胶中的水蒸发过程（WEP）。(e) 蒸发的水分子的数量。

图4 JH的光热管理：(a)THL的吸收光谱；(b) 纯水、THL和BHL的导热系数；(c) 不同照射时间下的表面红外温度分布图；(d)温度分布。

JH的蒸发速率和耐用性：

在一个太阳光强度的条件下的实验发现，JH的蒸发效率高达3.53 kg⋅m-2⋅h-1，分别是纯水和THL的4.5倍和1.5倍。同时，JH的蒸发效率达到95.7%（图5）。其次耐用性是评价水凝胶蒸发器实际应用能力的关键。为此，对Janus水凝胶的耐pH、耐盐性和长期使用性能进行了测试（图6）。实验结果表明JH具有较高的耐久性和稳定性，在长期、复杂的条件下具有较高的可靠性。

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图5 THL和JH的界面光蒸发性能：(a)在1个和5个太阳下THL和BHL的水的质量损失; (b)水凝胶的蒸发率和能量效率。

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图6 (a)pH值对蒸发过程的影响和(b) JH的长期脱盐性能。

JH脱盐性能评估:

如图7所示，配置了不同含盐量的海水来评估JH脱盐性能。海水样品经淡化后，TDS（总溶解固体含量）均下降了2-3个数量级，低于100 mg/L，符合世界卫生组织标准(TDS≤1000 mg/L)以及美国环境保护署标准(TDS≤500 mg/L)。蒸发后海水样品中的Na 、Mg2 、K 和Ca2 4种常见金属离子浓度明显下降，浓度均低于15 mg/L，总浓度仅在35 mg/L左右。此外，将JH用于其他洗涤废水和生活污水处理，同样达到优异的脱盐降污效果。同时，该结果也进一步证明了JH的优异蒸发性能，不仅可用于海水淡化，还适用于处理多种污水环境。

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图7 JH的太阳能脱盐性能:(a)三种人工海水的TDS浓度。(b) JH处理前后海水中离子浓度的变化。(c)三类污水淡化前后的TDS&TOC。

JH光催化性能评估：

选用曲利苯蓝（TB）和刚果红（CR）作为污染物染料进行光催化实验，在辐照3小时后收集浓缩染料（收集蒸发后的浓缩物）和蒸发水，然后用紫外可见分光光度计测量吸光度。实验结果显示在图8。首先，两种浓缩染料的颜色变浅，蒸发水在光蒸发-光催化耦合作用（图9）下变得澄清。图8(b c)中显示了染料的归一化浓度和降解率。蒸发水的降解率达到98.5%（TB）和93.1%（CR）证实了水凝胶的显著光催化效果。

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