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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(jìn)行海水淡化時(shí)需要耗費(fèi)大量的能源和使用成本極高的機(jī)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(gè)裝滿水的黑色底盆和一個(gè)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(dòng)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(diǎn)考慮的因素,比如開放水域和動(dòng)態(tài)環(huán)境(海水域、水庫等)中的水波不可避免地會(huì)對(duì)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(jī)/有機(jī)混合材料的界面蒸汽發(fā)生器提供了良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗鈍性損壞,但它們?nèi)菀资艿揭恍C(jī)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(huì)降低材料的性能并最終導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的故障。這無疑給耐損傷材料的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn),并在界面蒸發(fā)生器中使用的材料的機(jī)械強(qiáng)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(jì)和機(jī)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(jì)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(diǎn),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(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和非共價(jià)相互作用的存在,水凝膠界面蒸發(fā)器具有良好的機(jī)械性能和快速自愈能力。這項(xiàng)工作突出了使用自修復(fù)水凝膠制造堅(jiān)固且耐損壞材料的巨大潛力。


    文章亮點(diǎn):

    1、該界面蒸汽發(fā)生器的保水性、機(jī)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(jiǎn)化。

    2、用1倍太陽光強(qiáng)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(dá)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(xiàng)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(jiǎn)化生產(chǎn)過程并延長太陽能蒸發(fā)器在實(shí)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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