CEJ:基于高吸水性海藻酸纤维的垂直通道分级孔结构气凝胶高效太阳能海水蒸发

文摘   2024-11-16 11:17   山东  

转自 气凝前言

研究背景

  • 利用阳光下的界面蒸发进行海水淡化是一种有效的方法。

  • 传统的海水淡化过程正在被各种太阳能蒸发器所取代。

  • 然而,盐结晶沉积和低蒸发率阻碍了太阳能蒸发器的应用,这是该领域亟待解决的关键挑战。

研究策略

  • 受血管植物的启发,本研究采用了一种新的策略,利用天然高吸水性的海藻酸盐纤维作为气凝胶骨架,聚吡咯作为太阳能吸收剂,制备了一种环保的太阳能蒸发器。

蒸发器设计

  • 材料选择

    • 海藻酸盐纤维:用于制备高吸水纤维(HF),具有优异的吸水性、凝胶化和生物相容性。

    • 聚吡咯:作为光吸收剂,具有广泛的吸收光谱和强粘附性。

  • 结构特点

    • 蒸发器内部具有丰富的亲水基团、垂直通道和层次分明的孔隙结构。

    • 这些结构降低了水传输的阻力,提供了快速的水传输通道,并有效防止盐在蒸发器表面结晶。

制备方法

  • 纤维凝胶制备:高吸水纤维吸水并溶解后相互粘附,形成凝胶。

  • 气凝胶制备:通过直接冷冻干燥纤维凝胶,得到具有纤维取向的气凝胶(HFA)。

  • 复合气凝胶制备:通过简单的原位聚合过程,将聚吡咯沉积在HFA表面,得到聚吡咯-高吸水海藻酸盐纤维复合气凝胶(HFA@PPy)。

性能表现

  • 蒸发效率:在1个太阳强度辐射下,最大蒸发效率达到4.27 kg m⁻²h⁻¹,能量效率超过99%。

  • 机械性能:纳米聚合物光吸收剂为复合气凝胶提供了优异的机械性能,使其在使用多次后仍保持形状和蒸发效率。

  • 适应性:在高度浓缩的盐水、有机溶液和不同pH值的溶液中均表现出良好的性能。

研究意义

  • 新思路:本研究为设计蒸发器的内部结构提供了新的思路,即通过纤维直接调节蒸发器内部的双向传输通道。

  • 应用前景:定制化内部通道的制备策略独特且实用,有望成为基于界面蒸发的可持续太阳能海水淡化系统。

  • 潜在应用:HFA@PPy在多种环境应用中显示出巨大潜力,如海水淡化、处理有机溶液和调节不同pH值的溶液。

 材料

所有化学品均为分析纯级别,无需进一步纯化即可直接使用。

  • 硫酸铵(H8N2O8S2,纯度98.5%)

  • 乙醇(C2H5OH,纯度99%)

  • 吡咯(C4H5N,纯度99.0%)

  • 无水氯化钙试剂(CaCl2,纯度99%),以上均购自Macklin。

  • 海藻酸钠粉末(源自褐藻,分子量100,000 ∼ 150,000 Da,M/G比=1.52),购自青岛明月海藻集团有限公司(中国)。

  • 去离子(DI)水,通过内部过滤系统(ATSro.10)获得。

制作流程

高吸水性海藻酸钠纤维的制备

使用湿纺技术制备高吸水性海藻酸钠纤维,具体步骤如下:

  1. 将海藻酸钠添加到蒸馏水中,配制成质量浓度为4%的纺丝溶液。

  2. 将溶液在反应器中脱泡12小时。

  3. 使用孔径为0.5mm×300、挤出速度为20r/min、牵伸比为1:1.5的喷丝头进行纺丝。

  4. 纤维通过质量浓度为0.3%的氯化钙乙醇凝固浴

  5. 将得到的纤维在60°C下干燥至恒重。

HFA气凝胶的制备

  1. 称取1.5g、长度为10cm的高吸水性海藻酸钠纤维,垂直固定在直径为2.2cm、高度为10cm的圆柱形模具中。

  2. 向模具中倒入50ml去离子水,让水完全吸收并溶解纤维,溶解后的纤维呈现凝胶状态。

  3. 将凝胶状纤维放入冰箱中,在-18°C下冷冻12小时,然后冷冻干燥48小时。

  4. 得到的冷冻干燥的超吸水纤维气凝胶是一种超轻气凝胶,密度约为0.05g/cm³。

HFA@PPy的制备

  1. 将HFA气凝胶浸入3%的氯化钙乙醇溶液中,交联12小时,以提高HFA的机械强度。

  2. 将交联后的HFA干燥,然后分别放入0.5%、1%、2%和4%的吡咯溶液中,使吡咯均匀分散在HFA的微孔中。

  3. 最后,使用0.5%的硫酸铵作为引发剂,使均匀分散的吡咯聚合形成聚吡咯。

图解

HFA@PPy准备。a) 高吸收性海藻酸盐纤维的预处理和HFA@PPy准备。b) HFA@PPy的水分转移和盐回流。c) 太阳能海水淡化的应用。d) HFA@PPy 中的垂直通道。

A) 从高吸收性海藻酸盐纤维到HFA@PPy的过程。b) SA@PPy横截面的 SEM。c) 横截面为 HFA@PPy 的 SEM d) 支撑 HFA@PPy 的重量。e) HFA@PPy 纵向截面的 SEM。f) HFA@PPy孔壁的 SEM。g) HFA 和 HFA@PPy 的压缩应力-应变曲线。

a) 水与HFA@PPy表面的随时间变化的接触角。b) 水与SA@PPy表面的时间相关接触角。c) HFA 和 SA 的水运实验。d) 以“n”形路径输水。

a) HFA 和 HFA@PPy 的 UV-Vis-NIR 吸收。b) 放置在一个阳光下的水中HFA@PPy的表面温度变化。c) 同一阳光下不同位置的HFA@PPy的温度变化。d) HFA@PPy在一个阳光下的表面温度变化。e) 使用红外热像仪在一个太阳下观察HFA@PPy表面温度变化。f) 纯水、SA@PPy 和 HFA@PPY 蒸发器在一个阳光下的质量变化曲线。g) 纯水、SA@PPy HFA@PPy的蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率。h) HFA@PPy 的 20 次蒸发循环(分别在纯水和 20% NaCl 中)。i) 用于纯水、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/聚合物或气凝胶中水的弱键合)和游离水(水分子之间的正常键合)。k) 纯水、SA@PPy 和 HFA@PPy 的等效蒸发焓。

a) HFA@PPy 和 SA@PPy 的盐回流能力。b) 去离子水中 Na+ 浓度的变化(插入: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 5 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 5 小时前后 HFA@PPy 的表面变化)。

a) 海水淡化装置(蒸发器装置冷凝器是一个长度为 15 cm 的正方形。下部容器长 13 厘米,宽 13 厘米,平均高 12 厘米。b) 海水淡化前后的主要离子浓度。c) 海水淡化前后的重金属离子浓度。d) 海水淡化后高酸和高碱的 pH 值。e) 亚甲基橙的光吸收光谱(插入:海水淡化前后的数码照片)。f) 亚甲蓝的光吸收光谱(插入:海水淡化前后的数码照片)。g) 室外温度和阳光强度。h) 从 8:00 到 17:00 的相应蒸发速率和质量变化。i) HFA@PPy基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。(有关此图例中对颜色的引用的解释,读者可参考本文的网络版本。

原文链接https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157562

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