电磁响应水凝胶作为正向渗透汲取剂提升水通量与脱水效率的研究

为解决正向渗透(FO)过程中水通量低和汲取剂再生困难的问题，研究人员开发了基于2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)与聚乙二醇(PEG)的电磁响应水凝胶。通过优化合成比例并引入Fe3O4纳米颗粒，水凝胶在4V·cm-1电场下将水通量提升至3.5LMH，结合磁场后脱水率达72.5%。该研究为高盐废水处理提供了新型智能材料解决方案。

　　

在全球水资源短缺的背景下，脱盐技术成为解决淡水危机的重要途径。正向渗透(FO)作为一种低能耗膜分离技术，利用渗透压差驱动水分子通过半透膜，但其应用长期受限于传统汲取剂的反向盐扩散和再生能耗高的问题。近年来，刺激响应水凝胶因其可调控的吸水-释水特性成为研究热点，然而现有水凝胶仍面临水通量不足(<3LMH)和脱水效率低(<60%)的技术瓶颈。

为突破这些限制，国外研究人员在《Desalination》发表研究，开发了新型电磁双响应水凝胶。团队通过自由基共聚法合成AMPS与PEG、聚乙烯醇(PVA)、丙烯酸(AA)的系列水凝胶，并引入磁铁矿(Fe₃O₄)纳米颗粒构建多功能网络结构。研究采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电镜(SEM)表征材料特性，通过定制FO装置测试水通量，结合电场(0-24V·cm^-1)和磁场(165mT)协同调控脱水性能。

3.1 水凝胶的物理化学特性
FT-IR证实成功合成含-SO₃H、-OH等亲水基团的聚合物网络。SEM显示AMPS-co-PEG50具有500nm不规则孔隙，磁铁矿掺杂后形成片状非晶结构，0.5wt%添加量时孔隙最发达。

3.2 溶胀比分析
AMPS-co-PEG50在1:1质量比时溶胀比达393.6±23.7g·g^-1，成本效益分析表明其性价比最优。添加0.5wt%磁铁矿后溶胀比提升至427.4g·g^-1，归因于纳米颗粒对交联网络的修饰作用。

3.3 FO水通量性能
电场显著增强渗透压梯度：AMPS-co-PEG50在4V·cm^-1时水通量从2.8LMH增至3.5LMH。0.5MAG-AMPS-co-PEG在24V·cm^-1下通量达6.9LMH，处理反渗透浓缩液时仍保持2-3LMH。

3.4 电场-磁场协同脱水
双场协同使脱水率从57.6%(纯电场)提升至72.5%，机理包括电渗流驱动质子迁移和磁致局部热效应。五次循环后水通量仅衰减10.9%，显示优异稳定性。

该研究创新性地将电磁响应特性整合至水凝胶体系，AMPS的-SO₃H基团提供电场响应性，磁铁矿纳米颗粒赋予磁场调控能力。相较于传统热响应水凝胶，该材料在能耗(无需整体加热)、效率(脱水率提升28.7%)和适应性(耐受10000mg·L^-1盐水)方面具有显著优势。研究为FO技术在海水淡化、高盐废水处理等领域的应用提供了新材料设计思路，特别是针对反渗透浓缩液的处理展现出独特潜力。未来通过优化磁场频率、开发交替场调控策略，有望进一步提升系统能效比。