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  2. 中國海洋大學(xué)徐曉峰教授《AFM》:自修復(fù)、耐損傷水凝膠用于高效太陽能水凈化和海水淡化
    2021-07-12 14:32:47 作者: 高分子科學(xué)前沿 來源: 高分子科學(xué)前沿 分享至:

     水資源短缺是當(dāng)今世界面臨的主要挑戰(zhàn)之一。由于地表水和地下水僅占地球所有水的0.01%,開發(fā)和利用海洋水資源受到研究人員極大的關(guān)注。眾所周知,海水含鹽量高,無法直接飲用。雖然出現(xiàn)了一些海水淡化技術(shù)(例如,蒸餾、反滲透、正向滲透和電滲析),但這些方法進行海水淡化時需要耗費大量的能源和使用成本極高的機器。太陽能是取之不盡的能源,利用太陽能將淡水與鹽分和其他污染物分離的技術(shù)稱為太陽能蒸餾。傳統(tǒng)的太陽能蒸餾器由一個裝滿水的黑色底盆和一個作為冷凝器的透明蓋組成,其產(chǎn)量和光熱效率較低。最近,太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)已成為一種用于高效、清潔水生產(chǎn)的創(chuàng)新和可持續(xù)技術(shù)。太陽能界面蒸發(fā)器的使用環(huán)境是需要重點考慮的因素,比如開放水域和動態(tài)環(huán)境(海水域、水庫等)中的水波不可避免地會對界面蒸汽發(fā)生器的剛性和脆性結(jié)構(gòu)元件造成物理損壞。盡管基于天然和無機/有機混合材料的界面蒸汽發(fā)生器提供了良好的機械強度和抗鈍性損壞,但它們?nèi)菀资艿揭恍C械損壞(如切割、撕裂和摩擦)。小的物理損傷的逐漸增長往往會降低材料的性能并最終導(dǎo)致整個設(shè)備的故障。這無疑給耐損傷材料的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn),并在界面蒸發(fā)生器中使用的材料的機械強度和柔順性之間產(chǎn)生了兩難選擇。受生物體自密封和自修復(fù)過程的啟發(fā),不同的仿生設(shè)計和機制已被轉(zhuǎn)移到自修復(fù)聚合物網(wǎng)絡(luò)(水凝膠、彈性體、熱固性材料等)中,旨在損壞和疲勞后恢復(fù)功能。然而,在目前界面蒸發(fā)生器的設(shè)計中,結(jié)構(gòu)部件的可重復(fù)性(疲勞)和可逆性(恢復(fù))在很大程度上被忽視了。因此,亟需開發(fā)自修復(fù)構(gòu)件來防止永久性故障、恢復(fù)原始功能并延長使用壽命的界面蒸發(fā)器。


    鑒于此,中國海洋大學(xué)徐曉峰教授與劍橋大學(xué)Petri Murto教授合作利用聚乙烯醇(PVA)、海藻酸鈉(SA)和聚丙烯酸鈉(PAAS)的高度親水性、多孔性和廣泛的氫鍵網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點,制備了具有明確結(jié)構(gòu)的整體式、耐用且自漂浮的水凝膠界面蒸發(fā)生器。由于化學(xué)和物理交聯(lián)產(chǎn)生的動態(tài)共價鍵和非共價相互作用的存在,水凝膠界面蒸發(fā)器具有良好的機械性能和快速自愈能力。這項工作突出了使用自修復(fù)水凝膠制造堅固且耐損壞材料的巨大潛力。


    文章亮點:

    1、該界面蒸汽發(fā)生器的保水性、機械性能和自愈能力很容易通過改變材料成分的質(zhì)量比來調(diào)節(jié)。蒸發(fā)器表面粗糙度的調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)元件(太陽能吸收器和水路)的集成還可通過自愈過程得到顯著簡化。

    2、用1倍太陽光強輻照在各種水環(huán)境(鹽度36~210 g/kg)中的界面蒸發(fā)器設(shè)備,其水蒸發(fā)率高達約2.2 kg m-2 h-1,超過了大多數(shù)使用復(fù)合聚合物構(gòu)建的設(shè)備,成為性能最好的界面蒸汽發(fā)生器之一。

    3、這項工作凸顯了開發(fā)自修復(fù)水凝膠的巨大潛力,可以防止突然和永久性故障,簡化生產(chǎn)過程并延長太陽能蒸發(fā)器在實際應(yīng)用中的壽命。


    圖1界面蒸汽發(fā)生器的示意圖和工作原理


    圖2復(fù)合凝膠和水凝膠的制備流程圖


    圖3界面蒸汽發(fā)生器裝置制造工藝流程圖

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