最新Nature Nanotech：太陽光淡化海水取得新突破！

相傳在遙遠的過去，有一隻出生在傲來國花果山的神猴劃著船跨海求學……

這天，烈日當空，神猴汗如雨下。但水囊已經空了，腳下的海水又偏偏鹹的發苦，根本沒法喝。在他馬上就要渴暈過去的時候，西北方向突然霞光綻放，一位白髮長髯的老翁緩步行來。笑看神猴說道：「猢猻，接寶！」說完，一隻錦匣從老翁袖袍中射出，落在神猴手中。見神猴疑惑，老翁解釋道：「你看匣中物，四四方方，黑似墨染。你將它放在海上，讓陽光照射，看到白霧升起，就用皮毛之物去接。如此往複，便能叫苦海變清泉。」神猴驚訝，不禁問道：「這是什麼寶物？」老翁笑答：「這類寶物品類繁多，有的藉助微小粒子,有的利用精細構造，總歸最難能可貴的是在太陽的直接照耀下，激起這絲絲白霧。而你手裡這塊，是老朽穿過時空大海，從未來的某處未知之地取回的，那裡的人叫它『海抓照』，善加利用吧。」說罷，老翁就消失了。神猴暗想:「放在海里抓著給太陽照？原來如此，好一個海抓照。」

直到近日，由美國德州大學奧斯汀分校的余桂華教授團隊帶領的，與美國科羅拉多大學博爾德分校楊榮貴教授和北京理工大學曲良體教授共同合作，利用具有多級納米結構的水凝膠材料在1個標準太陽光（1 kW m-2）下實現了高效、快速的水蒸發及鹽水分離，人們才意識到，當年仙翁說的原來是Hydrogel （『海抓照』）。相關研究成果近日發表在NatureNanotechnology雜誌上，論文的共同第一作者為趙飛博士和博士生周星怡。

圖一：基於多級納米結構水凝膠的光熱集中效應

如圖一所示，這種多級納米結構水凝膠由相互貫穿的聚乙烯醇（PVA）和聚吡咯（PPy）構成。其中，聚乙烯醇分子鏈交聯成三維網路結構形成凝膠骨架。該骨架藉助冷凍-融化循環處理引發的物理交聯效應進一步形成微孔結構。同時，聚吡咯分子團在聚乙烯醇物理交聯過程中起到模板作用。因此，不同於純聚乙烯醇凝膠，該複合凝膠內部形成了更大尺寸的通道。這種三級多孔結構有利於加快水分的蒸發。除此以外，由聚乙烯醇分子鏈形成分子網路可將水分子限制在分子網格內，避免水對流引起的熱損失。微孔結構遍佈於膠體內部，確保了水分均勻分布。而內部的大尺寸通道可藉助毛細效應有效的將水分從底部水體輸運到蒸發表面，以實現持續的水蒸發。尤其值得注意的是，研究者發現，具有特定高分子/水比例的水凝膠可以加速水的揮發。進一步研究表明，這種促進作用來源於親水高分子鏈和水分子的相互作用。這種相互作用可以有效降低水的相變焓，提高蒸發速率。（即水由液態變為氣態所需要的能量）。

圖二：基於多級納米結構水凝膠的日光海水淡化效果

通過調節交聯程度，這種複合水凝膠在標準陽光照射下（1 kW m-2）可以實現約3.2 kg m-2h-1的水分蒸發。相應的太陽能利用效率可達94%。另一方面，這種凝膠可以直接用於太陽能海水淡化。在保持水分蒸發速率基本不變的條件下，可將水分含鹽度顯著降低。以目前世界上最具代表性的海水鹽度為例（包括含鹽度最低的波羅的海，佔據最大面積的世界海以及鹽度最高的死海），基於這種凝膠的海水揮發過程可將水的鹽度降低三至四個數量級，使其淡化水平遠超世界衛生組織和美國國家環保局規定的飲用水淡化水平。進一步的耐久性評測也去除了人們對這種水凝膠太陽能海水淡化性能穩定性的擔憂。這一快速有效的海水淡化過程可以在較長的時間內保持穩定。

圖三：基於多級納米結構水凝膠的太陽能海水淡化系統模型

為了探索這種新材料在實際環境下工作的能力以及揭示其潛在的應用價值。研究團隊模仿現行的家用太陽能海水淡化設備製作了凝膠海水淡化器模型。利用最廉價的塑料容器和管路，搭建了可直接利用自然光淡化海水的裝置。實驗結果證明，在沒有任何聚光設備和真空裝置輔助的情況下，該系統中每平米的複合水凝膠一天可生產18至25升高質量淡水，基本能滿足一個家庭的飲用需要。

總體來說，這種凝膠材料具有以下顯著的優點：1.高效的利用相對較弱的自然光，不必依賴昂貴的聚光設備即可以較快的速度蒸發水分；2.原料是常用的高分子材料，易於控制成本，且原材料具有較強的抗腐蝕抗老化能力，為性能穩定性提供了保障；3.基於水凝膠材料特點，脫水狀態重量較輕易於運輸，飽水狀態可彎折以裁剪，可作為太陽能水蒸發核心部件用於不同種類的海水淡化系統，具有可觀的應用前景。另一方面，這項研究同時揭示出水與材料之間的相互作用在水蒸發過程中扮演的重要角色。為進一步探索和理解太陽能海水淡化中涉及的基本物理化學過程提供了新的視角。

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來源：高分子科學前沿

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