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工程水凝胶，高效的海水淡化和水净化

作者:

关键词:

摘要：

【介绍】

由于自然灾害后人口和污染的增加，安全和充足的水是一项全球性挑战。获得清洁水是现代社会进一步发展的基石。太阳能脱盐和水净化技术具有很高的太阳能到热转换效率，并且易于实施，从单个家庭的紧凑型独立设备到社区的大型集中式设备，都得到了广泛的应用。尽管如此，在低于自然沸点的低温下，水蒸气的产生通常是一个缓慢的过程。清洁水的生产率取决于太阳能转换和利用的效率，可以从两个方面提高效率:系统优化和材料创新。从底部加热和容积加热开始，近来已经采用界面蒸发来通过使用光热材料将热量集中在蒸发表面附近来系统地减少能量损失。同时，设计了碳质材料，窄带隙半导体和具有不同结构的聚合物，以实现热管理和水传输。

【科研摘要】

最近，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队重点介绍了水凝胶作为太阳能淡化和水净化的高度可调材料平台的最新进展。介绍凝胶化学如何赋予水凝胶以所需的性质，以及从分子水平到宏观水平的多尺度可调性。从减少水蒸发焓，优化热量分布和调整蒸发表面的角度，回顾了促进有效的太阳能转化为蒸汽的三种主要策略。

首先，通过选择具有可水合官能团的聚合物主链，可以调节水凝胶中的水态以促进中间水，该中间水的蒸发焓低于散装水的蒸发焓。这种聚合物与水之间的相互作用可以在合成和后处理过程中进一步调整。其次，水凝胶中的吸光添加剂不仅应将太阳能有效地转化为热量，而且还应将热量限制在蒸发表面附近。第三，由于水分子被封装在水凝胶的聚合物网络中，因此水凝胶的表面成为液态水的蒸发前沿。因此，调整水凝胶的表面形貌和润湿性对蒸发速率具有重要影响。接下来，作者将讨论赋予水凝胶蒸发器出色的脱盐和净化性能的关键功能，包括具有稳定和长期脱盐的防盐垢特性，以及易于整合功能性材料以去除其他污染物(例如重金属离子)的功能。和有机染料，以提高馏出液质量。最后，讨论了基于水凝胶的太阳能净水系统的基础研究和实际实施中存在的挑战和未来的机会。相关论文以题为Engineering Hydrogels for Efficient Solar Desalination and Water Purification发表在《Acc. Mater. Res.》上。

【主图导读】

图1.从分子水平到宏观尺度的水凝胶材料的可调节性。

图2.调整聚合物与水的相互作用以减少水的蒸发焓。

图3.优化热定位。

图4.调整基于水凝胶的蒸发器的表面形貌和润湿性。

图5.淡化和防盐垢。

图6.去除其他污染物。

图7.结论和展望。通过关键要素的定制，水凝胶材料成为与水和能源相关应用的新兴平台。

参考文献:doi.org/10.1021/accountsmr.1c00057

文章来源：《中国表面工程》网址: http://www.zgbmgc.cn/zonghexinwen/2021/0429/581.html