河北工大張盼盼/紀(jì)志永教授團隊、清華大學(xué)曲良體教授 Nano Lett.：強氫鍵修復(fù)且具有重構(gòu)寬排鹽通道的太陽能蒸發(fā)器用于可持續(xù)海水曬鹽
全球淡水資源嚴(yán)重短缺，海水淡化為解決淡水資源匱乏問題提供了一種有效途徑。而海水淡化過程中產(chǎn)生大量濃鹽水，直接排放對海洋生物和生態(tài)環(huán)境造成巨大的危害。濃鹽水在固體鹽生產(chǎn)、氯堿化工產(chǎn)品制造以及礦物資源提取等方面有廣泛應(yīng)用。根據(jù)國際鹽業(yè)聯(lián)合會的數(shù)據(jù)，全球太陽能海水曬鹽的產(chǎn)量在2019年創(chuàng)下了3.2億噸的歷史新高。傳統(tǒng)的太陽能海水曬鹽利用蒸發(fā)池通過持續(xù)的太陽光照射來蒸發(fā)水分，促進海水逐漸濃縮和固體鹽結(jié)晶。盡管以上方式具有較低的成本，但效率低下且需占用大量土地。因此，亟需提高太陽能海水曬鹽的效率，以緩解日益緊張的能源-資源壓力。太陽能界面水蒸發(fā)技術(shù)（ISVG）具有更加高效、快速進行海水曬鹽的潛力。但在嚴(yán)苛環(huán)境下（例如，低溫）下，光熱材料的耐用性和適用性令人擔(dān)憂。因此，開發(fā)同時具備可擴展性、適應(yīng)性和耐用性的太陽能蒸發(fā)器，以促進高效的海水濃縮和固體鹽結(jié)晶過程，仍然是一個顯著的挑戰(zhàn)。
文章亮點
近日，河北工業(yè)大學(xué)張盼盼副教授/紀(jì)志永教授團隊、清華大學(xué)曲良體教授開發(fā)了一種強氫鍵修復(fù)、寬溫度范圍適用、高抗鹽的石墨烯/海藻糖/聚丙烯酰胺水凝膠（PTGH）作為太陽能蒸發(fā)器用于可持續(xù)海水曬鹽（圖1）。其中，海藻糖富含羥基（–OH）可通過形成強氫鍵作用修復(fù)聚丙烯酰胺（PAAm）聚合物網(wǎng)絡(luò)，使得 PTGH 具有強韌性、可拉伸性和耐低溫性能。通過相對低溫定向冷凍鑄造工藝，精確調(diào)控PTGH 內(nèi)冰晶的生長速度，重構(gòu)寬排鹽通道，加快離子快速對流/擴散，提高太陽能蒸發(fā)器耐鹽性能。在一個太陽光強度下，PTGH 在室溫環(huán)境下水蒸發(fā)速率可達2.82 kg m–2 h–1，即使在低溫環(huán)境下（?20oC?0oC），水蒸發(fā)速率也能保持在0.92?1.34 kg m–2 h–1。在室外連續(xù)海水曬鹽過程中，PTGH 能夠持續(xù)運行，直至原鹽水溶液高度濃縮，最終將固體鹽從水中分離出來。與傳統(tǒng)的日曬海水過程相比，可節(jié)省 66.67%?75% 的時間或土地消耗。該工作以“Hydrogen Bond Repairing Solar Evaporator with Reconstructed Large-Width Channels for Durable Solarizing Seawater”為題發(fā)表在《NANO LETTERS》上。
圖 1. PTGH 用于高效、可持續(xù)海水曬鹽示意圖
該團隊創(chuàng)新地提出了相對低溫定向冷凍鑄造工藝重構(gòu)具有寬排鹽通道的太陽能蒸發(fā)器（圖2）。通過精確調(diào)控PTGH內(nèi)冰晶生長，重構(gòu)通道的寬度可加寬至500 μm，有利于提高導(dǎo)水性能，加速鹽離子的對流/擴散以增強太陽能蒸發(fā)器的耐鹽性能。其次，海藻糖作為PAAm聚合物網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)劑，可通過強氫鍵作用與PAAm的長聚合物鏈形成多個相互作用點，使其具有優(yōu)異的機械性能，包括強韌性和可拉伸性，并確保即使在低溫環(huán)境下也能正常運行，增強PTGH作為太陽能蒸發(fā)器在各種嚴(yán)苛環(huán)境實際應(yīng)用性能。
圖2 PTGH制備流程和表征
PTGH在太陽光全光譜范圍內(nèi)（250?2500 nm）表現(xiàn)出99%的光吸收率。海藻糖豐富的羥基可與水分子相互作用，從而調(diào)控PTGHs內(nèi)水的狀態(tài)，降低水的蒸發(fā)焓（圖3），在室溫環(huán)境中一個太陽光強度照射下，PGH和PTGHs的表面溫度穩(wěn)定在34.7?36.6 °C范圍內(nèi)。PTGH3具有最優(yōu)水蒸發(fā)率2.82 kg m–2 h–1，為純水的6.22倍。PTGH3的太陽能利用效率高達98.5%。在連續(xù)照射120 h后，浸入水中重新膨脹，PTHG3的機械性能仍然保持良好。即使在低溫下（?20oC?20 oC），PTGH3也能表現(xiàn)出32.4%?91.5%范圍內(nèi)的太陽能利用效率。
圖3 室溫和低溫環(huán)境下PTGHs的 ISVG 性能
通過相對低溫定向重構(gòu)的寬排鹽通道可加速了鹽離子對流/擴散，實現(xiàn)PTGH3的長期耐鹽性能（圖4）。在3.5wt%鹽水中進行連續(xù)水蒸發(fā)測試，PTGH3表現(xiàn)出2.78 kg m–2 h–1的穩(wěn)定水蒸發(fā)速率，且表面沒有明顯的鹽結(jié)晶析出。在連續(xù)使用60天（3.5 wt%鹽水，每天12 h），其水蒸發(fā)速率僅有略微下降，從 2.82 kg m–2 h–1到 2.51 kg m–2 h–1。即使在 25 wt% 的高鹽度溶液中，PTGH3 也具有出色的耐鹽性。將PTGH3 用于連續(xù)太陽能海水曬鹽，隨著初始鹽度為 3.5 wt%海水的不斷濃縮，固體鹽顆粒首先在玻璃燒杯表面結(jié)晶，直到100%的水蒸發(fā)并且所有固體鹽晶沉淀出來，PTGH3表面也沒有明顯的固體鹽堆積。
圖4 PTGH3用于長時間海水曬鹽性能
開發(fā)的 PTGH3 易于大規(guī)模制備，原材料成本低至 2.4218 $ m?2，能夠在不同環(huán)境下進行實際應(yīng)用（圖5）。在環(huán)境溫度為28 °C左右的夏季測試中，PTGH3的水蒸發(fā)速率略高于實驗室測量值，主要歸因于室外高溫和風(fēng)對流促進水蒸氣擴散和加速水分蒸發(fā)。在冬季室外環(huán)境溫度為?5 °C?4 °C時，PTGH3經(jīng)過多次凍融后仍然能夠保持結(jié)構(gòu)完整性，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐低溫性能。
圖5 PTGH3在不同室外環(huán)境下用于長時間海水曬鹽
通過氫鍵修復(fù)和相對低溫定向重構(gòu)策略構(gòu)建的PTGH為連續(xù)太陽能海水曬鹽提供了新的思路。PTGH展示了其對各種環(huán)境挑戰(zhàn)的適應(yīng)性和耐用性，具有優(yōu)異的水蒸發(fā)性能，可以處理高鹽度溶液用于固體鹽生產(chǎn)。傳統(tǒng)的蒸發(fā)池海水曬鹽相比，基于PTGH海水曬鹽效率高出約3?4倍，可節(jié)省 66.67%?75%的時間或土地成本。這項工作也同樣為高效太陽能的利用、海水濃縮甚至固體鹽結(jié)晶領(lǐng)域提供了另一種途徑。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03179
