如何獲得清潔的水是困擾全世界人民的普遍問題之一，人們迫切需要開發能高效地從海水或廢水中進行現場水淨化的技術，減少能源消耗並將對環境的負面影響降至最低。儘管基於熱的方法（例如蒸汽壓縮和多效蒸餾）已經成熟，但它們仍然需要大量的電能消耗以及大型集中式安裝。利用基於膜的技術的反滲透系統運行時能耗要低得多，但仍需要先進的支持基礎設施和頻繁維護。因此，太陽能精餾受到越來越多的關注，因為太陽能在丰度，可持續性和環境友好性方面使所有其他基於化石的能源相形見絀。
太陽能精餾的一個關鍵的挑戰是自然陽光（≤1kW m-2）的擴散太強，無法為高效的水蒸餾系統提供動力。因此，需要昂貴的太陽能集中器，這增加了該技術的總成本。避免這種不足的太陽能供應的方法包括改善日光捕獲，提高太陽熱效率以及減少對周圍環境的熱損失的方向。因此，人們探索並開發了多種吸光材料，以通過調節納米材料的尺寸和形態來收集整個太陽波長範圍內的光。
最近，基於水凝膠的太陽能蒸發器被證明可以通過調節聚合物網絡與水分子之間的相互作用來實現創紀錄的高蒸發率（> 3.0 kg m-2h-1）。親水性聚乙烯醇（PVA）作為主要的聚合物分子篩網能夠降低水的蒸發焓，因此能夠更快地蒸發水。水凝膠材料的自清潔功能也為它的長期使用提供了可能性。但是目前，基於水凝膠的蒸發器的原材料在競爭性淨水系統所需的技術上仍然面臨成本和可擴展性方面的障礙。
基於此，德克薩斯大學奧斯汀分校的餘桂華團隊近日將可再生生物質魔芋葡甘露聚糖（KGM）與易於合成的鐵基金屬有機骨架（Fe-MOF）作為太陽能吸收劑引入PVA網絡，從而形成了具有成本效益的雜化水凝膠蒸發器（HHEs）。該工作以題目為“Biomass-Derived Hybrid Hydrogel Evaporators for Cost-Effective Solar Water Purification”發表在《先進材料》上。天然的KGM具有出色的隔熱性能，不僅有助於促進大、中孔結構的快速水傳輸，還為水凝膠提供了更多的水合能力，降低蒸發焓，通過形成氫鍵和螯合鍵有效去除水中的重金屬離子和有機染料。用低成本原材料製備了磁響應MOF光熱納米粒子，通過簡便的磁體可以合理地控制磁性太陽能吸收劑的空間分佈，以改善蒸發表面的熱定位，並將太陽能吸收劑的使用量減少到已報道的水凝膠蒸發器的三分之一。該水凝膠蒸發器的整體材料成本較低，僅為$ 14.9 m-2，在一個陽光下可提供高達3.2 kg m-2 h-1的高水蒸發率，能量效率約為90％，具有良好的應用前景。
圖1. a）鐵基MOF吸收劑位於水凝膠蒸發器的頂部表面，以將太陽能轉化為熱能並就地產生純淨的蒸汽 b）通過同時進行一步吸附和太陽蒸餾，去除重金屬離子和有機染料
【圖文解析】
圖2. a）簡易磁鐵輔助製造以減少所需的吸收劑總量。b）典型的HHEs樣品照片。SEM圖像c）冷凍乾燥的雜化水凝膠的橫截面和d）內部多孔結構。e）純PVA（藍色），純KGM（綠色）和HHE（粉紅色）的FTIR光譜。f）PVA /吸收劑水凝膠和HHE的儲能模量（Gʹ）、損耗模量（Gʺ）。比例尺：b）1cm，c）30um和d）3um
解析：HHEs是通過PVA和KGM與碳化的Fe-MOF納米顆粒作為太陽能吸收劑的原位共凝膠化合成的。黑色磁性Fe-MOF吸收劑的尺寸均勻，直徑約為35 nm。使用磁體將吸收劑顆粒帶到蒸發器的上側，這大大減少了蒸發器實現高太陽吸收所需的顆粒量。SEM所顯示的獨特的多孔結構可能有利於調節雜化水凝膠內部的水傳輸，從而在太陽能蒸汽產生過程中更快地供水。
圖3. a）從半飽和狀態到完全飽和狀態的膨脹行為以及計算出的蒸發器的水傳輸速率。 b）在半膨脹和完全膨脹狀態下測得的HHEs的熱導率。 c）HHEs及吸收劑粉末的UV-vis-NIR光譜以及1.5倍全球空氣質量下太陽光譜的歸一化光譜太陽輻照度密度。 d）在一個陽光強度照射下，HHEs表面和水體中的溫度。 e）相應的紅外圖像顯示了溫度分佈，輻射時間為0、10、30和60分鐘（比例尺：1cm）。 f）COMSOL模擬控制模型（具有均勻分佈的吸收劑的純PVA水凝膠）和HHEs的溫度分佈，顯示出在其頂部引入KGM和吸收劑後明顯的熱局部化效果。
解析：HHEs的飽和水含量隨KGM的比例增加而增加，表明雜化水凝膠的溶脹能力可以通過KGM與PVA的重量比來調節，增加KGM / PVA比值，可以減少其從半飽和狀態達到完全膨脹狀態所需的時間。通過追蹤一個陽光強度照射下蒸發器表面和水體的溫度評估了HHEs的光熱行為：所有蒸發器在開始的5分鐘內都會出現表面溫度升高，並在20分鐘後最終達到31°C的平衡溫度，而下部水體的溫度保持在22°C左右。
圖4. a）在廣泛的鹽度和pH範圍內評估蒸發性能。 b）評估之前和之後對海水樣品初級離子的脫鹽性能。 c）最初在一個光照強度下在鹽晶體存在的情況下HHE的防鹽垢蒸發性能。 比例尺：1cm。 d）HHEs和重金屬離子在水中吸附2 h的行為。 e）HHEs去除水溶性有機染料的能力。 f）太陽蒸餾前後HHE 3的總體重金屬去除性能g）在使用HHE 3進行一步式太陽能蒸餾之前和之後的德克薩斯州科羅拉多河細菌測試。
解析：HHEs在2至14的pH值範圍內都能很好地發揮作用，涵蓋了所有家庭和工業廢水條件。HHE可以很好地吸附在水中具有溶解的金屬離子和有機染料。並且經過純化後，有害細菌（大腸桿菌和大腸菌）也被降低到低於Test Assured（美國）提供的飲用水試劑盒的檢測水平以下。HHEs的整體淨化性能顯示其在重金屬離子去除和廢水淨化過程中的巨大潛力。【總結】
引入KGM與Fe-MOF到PVA網絡後製備的HHEs具有強大的淨化能力，豐富的原材料和低成本使其在海水淡化，海鹽生產，廢水處理和金屬提取等各種實際應用中具有巨大潛力。
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