江苏科技大学施伟龙/郭峰Desalination:受细胞壁“束缚效应”启发构筑高效3D生物质基水凝胶光热海水淡化蒸发器

面对全球水资源短缺和对淡水的需求，太阳能驱动的海水淡化由于其可持续性和可再生性，已被广泛认为是一个关键的解决方案。然而，在太阳能驱动的蒸发过程中，光热界面的热损失和盐堵塞等挑战大大降低了太阳能蒸发器的寿命，急需解决方案以确保太阳能蒸发器长期、稳定和高效的运行。

江苏科技大学施伟龙副教授/郭峰副教授团队受细胞壁“束缚效应”的启发，通过协同增强壳聚糖（CS）基水凝胶与纳米纤维素（CF）、丝瓜络纤维（LF）和碳点（CDs），成功开发了3D-CDs/CF/CS-LF复合水凝胶太阳能蒸发器，实现了高效供水，增强了机械性能，并改善了光热转换能力。所制备的3D-CDs/CF/CS-LF蒸发器在1个阳光强度下表现出超高蒸发率（8.08 kg m^-2 h^-1）。此外，在户外海水淡化实验中，蒸发装置每日生产约34.88 kg m^-2的淡水，验证了该蒸发器在实际应用中的效用。研究成果以Ultra-high solar steam generation based on regulated water management strategy in 3D biomass hydrogels inspired by the“binding effect”of cell walls为题发表于Desalination。

数据概要

图 1. (a、b）CDs/CF/CS-LF水凝胶的制备工艺示意图。(c)CDs/CF/CS-LF水凝胶蒸发器中蒸汽生成示意图。（d1）CS-LF、（d2）CDs/CS-LF、（d3）CF/CS-LF和（d4）CDs/CF/CS-LF的模型图像、光学图像和扫描电镜图像。

图 2. (a) LF、CS 和 CS-LF 水凝胶的应力-应变曲线和 (b) 光学图像。(c) CDs/CF/CS-LF 水凝胶压缩实验过程示意图。(d) 所制备水凝胶的应力-应变曲线。(g) CDs/CF/CS-LF 水凝胶循环测试的应力-应变曲线和 (h) 力-位移曲线。(i) 最大应力和压缩模量。

图 3. 3D-CDs/CF/CF/LF-3D二维太阳能蒸发器(a)有效蒸发面积和(b)环境能量收集的比较。(c)太阳能蒸汽性能评价装置图。(d)纯水和制备的样品的水重随时间的变化。(e)所制备的样品的蒸发率和效率。(f)3D-CDs/CF/CS-LF的蒸发率组成。(g)不同光强下的3D-CDs/CF/CF-LF蒸发器的蒸发速率。(h)不同盐浓度下3D-CDs/CF/CS-LF蒸发器的蒸发速率。(i)已制备样品的DSC测量。(j)3D-CDs/CF/CS-LF中纯水和水的蒸发焓的估算。(k)蒸发效率的比较。

图 4. 所制备的水凝胶的(a) UV-Vis-NIR吸收光谱。(b)光热试验实验装置图。(c)已制备样品的温度变化。(d)已制备样品的导热系数。（e）已制备样品的表面粗糙度。（f）温度变化曲线。（g）顶部和侧面的红外光学图像。（h）的温度分布模拟。

图5. (a)动态接触角图像。(b)蒸发器在染料中的垂直运输行为。(c)表面盐溶解的光学图像。(d)蒸发器的抗盐沉积能力照片。(e)样品的形状变形程度照片。(f)干燥和饱和水状态下的重量，以及相应的吸水率。(g)水浸前后已制备的光学图像。(h)不同pH值和盐浓度溶液中的膨胀率。(i)50次压缩松弛循环前后的照片。

图 6. (a)海水淡化和作物灌溉系统示意图。(b)户外测试下太阳能驱动蒸发器海水淡化系统的光学照片。(c)不同辐照时间内快速产生蒸汽的照片。(d)室外试验的实际蒸发率。(e)四种主要离子的浓度。(f)收集的冷凝水中MB和Mo的吸光度的变化。(g)酸性和碱性溶液中蒸发后的pH变化。(h)豆芽的生长情况。(i)豆芽的生长高度与时间。

论文地址

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117954