【純水設(shè)備www.weyiwe.cn】這天，烈日當(dāng)空，神猴汗如雨下。但水囊已經(jīng)空了，腳下的海水又偏偏咸的發(fā)苦，根本沒法喝。在他馬上就要渴暈過去的時候，西北方向突然霞光綻放，一位白發(fā)長髯的老翁緩步行來。笑看神猴說道：“猢猻，接寶！”說完，一只錦匣從老翁袖袍中射出，落在神猴手中。見神猴疑惑，老翁解釋道：“你看匣中物，四四方方，黑似墨染。你將它放在海上，讓陽光照射，看到白霧升起，就用皮毛之物去接。如此往復(fù)，便能叫苦海變清泉?！鄙窈矬@訝，不禁問道：“這是什么寶物？”老翁笑答：“這類寶物品類繁多，有的借助微小粒子,有的利用精細(xì)構(gòu)造，總歸最難能可貴的是在太陽的直接照耀下，激起這絲絲白霧。而你手里這塊，是老朽穿過時空大海，從未來的某處未知之地取回的，那里的人叫它‘海抓照’，善加利用吧?！闭f罷，老翁就消失了。神猴暗想:“放在海里抓著給太陽照？原來如此，好一個海抓照。”實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備
直到近日，由美國德州大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)的，與美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校楊榮貴教授和北京理工大學(xué)曲良體教授共同合作，利用具有多級納米結(jié)構(gòu)的水凝膠材料在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光（1kWm-2）下實(shí)現(xiàn)了高效、快速的水蒸發(fā)及鹽水分離，人們才意識到，當(dāng)年仙翁說的原來是Hydrogel（‘海抓照’）。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上，論文的共同第一作者為趙飛博士和博士生周星怡。
基于多級納米結(jié)構(gòu)水凝膠的光熱集中效應(yīng)
如圖一所示，這種多級納米結(jié)構(gòu)水凝膠由相互貫穿的聚乙烯醇（PVA）和聚吡咯（PPy）構(gòu)成。其中，聚乙烯醇分子鏈交聯(lián)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成凝膠骨架。該骨架借助冷凍-融化循環(huán)處理引發(fā)的物理交聯(lián)效應(yīng)進(jìn)一步形成微孔結(jié)構(gòu)。同時，聚吡咯分子團(tuán)在聚乙烯醇物理交聯(lián)過程中起到模板作用。因此，不同于純聚乙烯醇凝膠，該復(fù)合凝膠內(nèi)部形成了更大尺寸的通道。這種三級多孔結(jié)構(gòu)有利于加快水分的蒸發(fā)。
除此以外，由聚乙烯醇分子鏈形成分子網(wǎng)絡(luò)可將水分子限制在分子網(wǎng)格內(nèi)，避免水對流引起的熱損失。微孔結(jié)構(gòu)遍布于膠體內(nèi)部，確保了水分均勻分布。而內(nèi)部的大尺寸通道可借助毛細(xì)效應(yīng)有效的將水分從底部水體輸運(yùn)到蒸發(fā)表面，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的水蒸發(fā)。
尤其值得注意的是，研究者發(fā)現(xiàn)，具有特定高分子/水比例的水凝膠可以加速水的揮發(fā)。進(jìn)一步研究表明，這種促進(jìn)作用來源于親水高分子鏈和水分子的相互作用。這種相互作用可以有效降低水的相變焓，提高蒸發(fā)速率。（即水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)所需要的能量）。
通過調(diào)節(jié)交聯(lián)程度，這種復(fù)合水凝膠在標(biāo)準(zhǔn)陽光照射下（1kWm-2）可以實(shí)現(xiàn)約3.2kgm-2h-1的水分蒸發(fā)。相應(yīng)的太陽能利用效率可達(dá)94%。另一方面，這種凝膠可以直接用于太陽能海水淡化。在保持水分蒸發(fā)速率基本不變的條件下，可將水分含鹽度顯著降低。
以目前世界上最具代表性的海水鹽度為例（包括含鹽度最低的波羅的海，占據(jù)最大面積的世界海以及鹽度最高的死海），基于這種凝膠的海水揮發(fā)過程可將水的鹽度降低三至四個數(shù)量級，使其淡化水平遠(yuǎn)超世界衛(wèi)生組織和美國國家環(huán)保局規(guī)定的飲用水淡化水平。進(jìn)一步的耐久性評測也去除了人們對這種水凝膠太陽能海水淡化性能穩(wěn)定性的擔(dān)憂。這一快速有效的海水淡化過程可以在較長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備
為了探索這種新材料在實(shí)際環(huán)境下工作的能力以及揭示其潛在的應(yīng)用價值。研究團(tuán)隊(duì)模仿現(xiàn)行的家用太陽能海水淡化設(shè)備制作了凝膠海水淡化器模型。利用最廉價的塑料容器和管路，搭建了可直接利用自然光淡化海水的裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在沒有任何聚光設(shè)備和真空裝置輔助的情況下，該系統(tǒng)中每平米的復(fù)合水凝膠一天可生產(chǎn)18至25升高質(zhì)量淡水，基本能滿足一個家庭的飲用需要。
總體來說，這種凝膠材料具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
1.高效的利用相對較弱的自然光，不必依賴昂貴的聚光設(shè)備即可以較快的速度蒸發(fā)水分；
2.原料是常用的高分子材料，易于控制成本，且原材料具有較強(qiáng)的抗腐蝕抗老化能力，為性能穩(wěn)定性提供了保障；
3.基于水凝膠材料特點(diǎn)，脫水狀態(tài)重量較輕易于運(yùn)輸，飽水狀態(tài)可彎折以裁剪，可作為太陽能水蒸發(fā)核心部件用于不同種類的海水淡化系統(tǒng)，具有可觀的應(yīng)用前景。
另一方面，這項(xiàng)研究同時揭示出水與材料之間的相互作用在水蒸發(fā)過程中扮演的重要角色。為進(jìn)一步探索和理解太陽能海水淡化中涉及的基本物理化學(xué)過程提供了新的視角。本文由佳潔水處理設(shè)備網(wǎng)提供任何人和單位不得轉(zhuǎn)載盜用。
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