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本期分享发表在Chemical Engineering Journal杂志上题目为“Highly efficient solar seawater evaporation by aerogel with vertical channels and hierarchical pores structure based on high-absorbent alginate fibers”的研究文章。
Part 1 文章简介
利用阳光下的界面蒸发是海水淡化的有效方法。研究人员已经开发出各种太阳能蒸发器来取代传统工艺。然而，结晶盐沉积和低蒸发速率阻碍了太阳能蒸发器的应用，这仍然是该领域的关键挑战。受维管植物的启发，本研究采用一种新策略，以天然高吸水海藻酸盐纤维为气凝胶骨架，聚吡咯为太阳能吸收剂，制备了一种环境友好的太阳能蒸发器。该仿生蒸发器内部具有丰富的亲水基团、垂直通道和分级孔结构，在一次太阳强度辐射下可实现4.27 kg m-2h−1的最大蒸发效率，能量效率超过99%。纳米聚合物光吸收剂为复合气凝胶提供了优异的光吸收和机械性能，即使重复使用数十次后仍能保持其形状和蒸发效率。其独特的结构能径向降低水的输送阻力，提供快速的水输送通道，并能高效脱盐，防止盐在蒸发器表面结晶。以此方式获得结构可控的太阳能驱动蒸发器有望大规模用于高效水净化，解决淡水资源危机。
图1是HFA@PPy的制备。a)高吸水海藻酸纤维的预处理及HFA@PPy的制备。b)HFA@PPy的水转移和盐回流。c)太阳能海水淡化的应用。d)HFA@PPy中的垂直通道。
图2是A）从高吸水海藻酸纤维到HFA@PPy的过程。b）SA@PPy横截面的SEM。c）HFA@PPy横截面的SEM。d）HFA@PPy支撑重量。e）HFA@PPy纵剖面的SEM。f）HFA@PPy孔壁的SEM。g）HFA和HFA@PPy的压缩应力-应变曲线。
图3是a) 水与HFA@PPy表面的接触角随时间的变化。b) 水与SA@PPy表面的接触角随时间的变化。c) HFA和SA的水传输实验。d) “n”形路径中的水传输。
图4是a）HFA 和 HFA@PPy 的 UV–Vis-NIR 吸收。b）同一阳光下 HFA@PPy 放置在水中的表面温度变化。c）同一阳光下 HFA@PPy 在不同位置的温度变化。d）同一阳光下 HFA@PPy 的表面温度变化。e）同一阳光下使用热成像相机观察 HFA@PPy 的表面温度变化。f）同一阳光下纯水、SA@PPy 和 HFA@PPy 蒸发器的质量变化曲线。g）纯水、SA@PPy 和 HFA@PPy 的蒸发速率和太阳能到蒸汽的转换效率。h）HFA@PPy 的 20 次蒸发循环（分别在纯水和 20% NaCl 中）。i）纯水、SA@PPy、HFA 和 HFA@PPy 的 DSC。j) 聚合物网络中水的三种状态：结合水（水/聚合物键合）、中间水（水/聚合物或气凝胶中的水的弱键合）和自由水（水分子之间的正常键合）。k) 纯水、SA@PPy 和 HFA@PPy 的等效蒸发焓。
图5是a) HFA@PPy 和 SA@PPy 的盐回流能力。b) 去离子水中 Na+ 浓度的变化（插图：盐回流装置）c) 不同 NaCl 浓度溶液中的平均蒸发速率。d) SA@PPy 在 20% NaCl 溶液中的蒸发速率（插图：蒸发五小时前后 SA@PPy 的表面变化）。e) HFA@PPy 在 20% NaCl 溶液中的蒸发速率（插图：蒸发五小时前后 HFA@PPy 的表面变化）。
图6是a) 海水淡化装置（蒸发器单元冷凝器为正方形，长度为15 cm。下部容器的长度为13 cm，宽度为13 cm，平均高度为12 cm。）b) 海水淡化前后主要离子浓度。c) 海水淡化前后重金属离子浓度。d) 海水淡化后高酸和高碱的pH值。e) 亚甲橙的光吸收光谱（插图：海水淡化前后的数码照片）。f) 亚甲蓝的光吸收光谱（插图：海水淡化前后的数码照片）。g) 室外温度和日照强度。h) 8：00至17：00期间相应的蒸发速率和质量变化。i) 基于HFA@PPy的太阳能蒸发器的能量转换效率和蒸发速率与其他太阳能蒸发器研究的比较。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157562
引用：Guo, Zihan, et al. "Highly efficient solar seawater evaporation by aerogel with vertical channels and hierarchical pores structure based on high-absorbent alginate fibers." Chemical Engineering Journal (2024): 157562.
