余桂华 Adv. Mater.：去除率超过99%！超级吸水凝胶助力太阳能水净化

【背景介绍】

由于过度消耗和严重污染，安全淡水资源持续萎缩，加剧了全球水资源短缺。水净化技术的发展构成了一个不断扩大的潜在水资源清单，包括受污染的淡水源、海水、地下水和废水。目前，常用的多级过滤、反渗透和蒸馏等策略都是能源密集型的。其中，太阳能水蒸馏正在成为一种很有前途的方法，可用于水循环利用，特别是对于迫切需要分散水处理的地区。太阳能蒸馏通过从含有非挥发性污染物的原水中产生蒸汽来生产高质量的水，甚至可以满足饮用水的标准。但是，缺乏去除水溶性挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）的能力，从根本上削弱了其实用性。来源于生活、工业和农业废水的挥发性有机化合物（VOCs）在低浓度下可能对人体健康有害。水溶性VOCs已经侵入自然界水循环系统，成为全球健康威胁。开发有效的技术来消除水中的VOCs对于确保饮用水的清洁和安全至关重要。膜蒸馏和渗透蒸发技术可用于VOCs/水分离，其中设计选择性渗透分离膜来实现水和VOCs分子在其中的不同迁移通量至关重要。然而，由于功能膜对低浓度水和VOCs的选择性不足，在高能效要求下生产饮用水仍然具有挑战性。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和鲁恒毅博士（通讯作者）等人报道了一种去除含VOCs废水的太阳能水净化策略。超级吸水凝胶（super water-extracting gels, SWEG）是一种多功能太阳能蒸发器，可以将太阳能转化为热能，从VOC水溶液中提取水，并产生洁净的水蒸气。由高度水合的海藻酸盐组成的SWEGs具有超交联聚合物网络（hypercrosslinked polymeric networks, HPNs），且水分子穿透HPNs时会与藻酸盐聚合物链形成强氢键网络。SWEG可以抑制其饱和含水量，并在分子水平上将其中含的水完全管控，避免自由水的存在，从根本上不同于传统水凝胶。由于这种水-分子链氢键在热力学上比水-VOC分子相互作用更稳定，因此SWEG可以从VOC溶液中提取水，将VOC与蒸发前沿隔离，从而防止产生的水蒸气受到污染。基于SWEG，太阳能蒸馏能实现高VOCs去除率，其中对苯酚的去除率超过99.0%、对三氯乙烯的去除率为99.99%），并在1 sun（1 kW m^-2）下达到1.4 kg m^-2 h^-1的水产量。与典型的基于膜的水净化不同，基于SWEG的太阳能蒸馏器无需真空、膜再生和电力供应。这些特征表明，SWEG的概念可以促进下一代太阳能驱动的水净化技术的发展，克服与VOCs造成的蒸汽污染相关的基本挑战。研究成果以题为“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”发布在国际著名期刊Advanced Materials上。

本文所有图来源于© Wiley-VCH GmbH, Weinheim。

【图文解读】

图一、基于SWEG的太阳能蒸馏从水中去除VOCs
（a）VOCs来源于工业排放、农药和生活污水，通过自然水文循环传播，从而污染河流、湖泊、地下水和海洋等潜在水源；

（b）通过界面太阳能水蒸发实现VOCs管理，其中SWEG作为光热蒸发器。

图二、SWEG的表征
（a）SWEG膜的照片；

（b）SWEG的横截面SEM图像呈现出均匀致密的结构；

（c）SWEG的高倍SEM图像显示光滑的横截面；

（d）与传统水凝胶相比，SWEGs的饱和含水量处于较低水平；

（e-f）不同饱和水含量的SWEGs的应变-应力曲线和XRD分析。

图三、基于SWEG的VOC抑制机理
（a）FTIR光谱显示SWEG中的亲水基团；

（b）DSC曲线追踪纯冰和完全水合SWEG的熔化行为，其中直线表明样品中的所有水分子通过氢键与HPN强烈相互作用，成为不可冷冻水；

（c）HPN与所含水分子之间的氢键示意图。

图四、基于SWEG的太阳能蒸馏
（a）原型太阳能与空气和水循环系统集成的示意图；

（b）具有SWEG的开放系统与没有HPN的基于藻酸盐的水凝胶的太阳能蒸汽产生性能；

（c）封闭系统中不同气流通量下SWEG的产水量；

（d）使用SWEG和不含HPN的水凝胶作为太阳能蒸发器，纯化水中苯酚的残留；

（e）使用SWEG和不含HPN的水凝胶作为太阳能蒸发器，纯化水中三氯乙烯的残留；

（f）去除苯酚和三氯乙烯的长期性能。

图五、比较当前的VOC去除技术

【小结】

综上所述，作者证明了具有超交联聚合物网络的超级吸水凝胶（super water-extracting gels, SWEG）可通过太阳能蒸馏直接从水中去除VOCs。超交联海藻酸盐作为活性材料在分子水平上分离VOCs和水。借助HPN的定制拓扑结构，SWEG可以与所有包含的水分子提供强氢键，从VOCs溶液中提取水，将VOCs从蒸发前沿隔离，从而产生清洁的水蒸气。原型太阳能蒸馏器被证明可以在1 sun下从VOCs污染的水中连续生产清洁水，产量高达1.4 kg m^-2 h^-1。该概念对下一代水净化具有吸引力，因为它使用可持续能源、廉价且环保的材料，并且易于凝胶化显着简化了大规模制造。它有望为分散式生活用水净化（尤其是在偏远地区）以及工业污水的太阳能净化提供潜在的家用太阳能蒸馏器。

文献链接：Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle. Advanced Materials, 2022, DOI: 10.1002/adma.202110548.

本文由CQR编译。

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