受芦荟启发的双层集成水凝胶蒸发器，实现高效太阳能海水淡化

《Separation and Purification Technology》：Aloe Vera-inspired dual-layer integrated hydrogel evaporator to enable high efficiency solar desalination

　　摘要
当前的太阳能蒸发器仍然面临诸如热管理效率低下和蒸发性能瓶颈等重大挑战。为了解决这些问题，本研究开发了一种基于芦荟特性的高性能水凝胶蒸发器，采用结构设计和复合改性的协同策略。受芦荟叶片双层结构的启发，设计了一种具有低热导率（0.454 W·m?1·K?1）的水凝胶作为蒸发器的水传输层，以最小化热量损失；而聚丙烯酰胺-壳聚糖复合水凝胶则作为光热转换层，在水凝胶限制条件下显著降低了有效蒸发能耗，从而提高了整体蒸发速率。这一数值是一个系统级的有效指标，反映环境热交换和非平衡传输情况，而不是固有的潜热。该蒸发器在去离子水和3.5%海水中的蒸发速率分别达到了3.44 kg·m?2·h?1和2.38 kg·m?2·h?1。它还表现出优异的性能，适用于处理中等至高浓度海水和具有极端pH值的水体。此外，该蒸发器具有显著的耐盐性，并实现了85.96%的固有蒸发效率和233.35的表观蒸发效率。在晴朗天气条件下的室外实验中，3.5%海水的最大蒸发速率达到了3.09 kg·m?2·h?1，表明该系统能够适应各种复杂的天气模式。因此，本研究提出了一种新型的高性能仿生太阳能蒸发器，适用于海水淡化和废水处理。

引言
根据世界资源研究所的报告，约有26亿人生活在水资源紧张的国家[1]。对于沿海地区，海水淡化技术提供了一种有效补充当地淡水供应的方法[2][3]。目前主流的淡化技术主要基于热蒸馏和膜分离方法[4][5][6]。虽然蒸馏可以生产高纯度的水，但受到复杂设备、高资本成本以及运行过程中大量能源消耗的限制[7][8]。虽然膜分离方法更节能，但在处理受污染的水时存在系统稳定性挑战。此外，膜材料的高成本以及由于使用寿命有限而需要频繁更换也带来了进一步的不利因素[9][10]。尽管这两种技术都相对成熟，但高成本和环境影响等持续问题仍然难以解决[11][12][13]。作为一种丰富、清洁且可再生的资源，太阳能正在逐步取代日益减少的传统化石燃料[14][15]。利用太阳能通过光热转换生产蒸馏水被认为是一种有前景的淡化方法。然而，在自然条件下，水体对光的吸收较差，导致能源利用效率低和蒸发速率慢[16]。批量加热方法通过在水中分散贵金属纳米流体来增强太阳能吸收，但由于加热整个水量而产生大量热量损失[17]。近年来，研究人员提出使用界面加热将光热转换和能量输入限制在气液界面区域，从而最小化热量损失并显著提高能源利用效率[18]。在理想条件下（即100%的蒸发效率和无热量损失），在24°C的环境温度和60%的相对湿度下，水的理论最大蒸发速率为1.59 kg·m?2·h?1[19]。然而，在实际的蒸发过程中，太阳能蒸发器的能量转换效率很少接近这一理论极限。近年来，具有三维聚合物网络的水凝胶材料为解决这一瓶颈提供了新的见解。通过调节水凝胶网络结构，可以调控水分子与聚合物基质之间的相互作用，从而在水凝胶限制条件下降低有效蒸发能耗，有可能实现超过使用 bulk 水的热力学蒸发焓预测的蒸发速率[20]。此外，虽然直接涂在蒸发器表面的光热转换材料通常会减少有效蒸发面积并阻碍蒸汽释放[18]，但在水凝胶合成过程中均匀掺入光热转换材料可以避免对蒸发界面的不利影响[21]。水凝胶固有的柔韧性和可调性还使它们能够承受一定的物理变形并减轻盐分积累[22][23][24]。例如，Hao等人[25]制造了一种基于生物的聚合物水凝胶太阳能蒸发器，在报告的实验条件下，其有效蒸发能耗估计为1654 J·g?1，远低于作为参考值的 bulk 水的热力学蒸发焓（2432 J·g?1）。该蒸发器的蒸发速率达到了2.09 kg·m?2·h?1，远超过纯水的理论最大值。在本研究中，通过结合具有优异机械韧性和亲水性的聚丙烯酰胺[22]以及具有天然抗菌和光热转换特性的壳聚糖[26]，我们旨在利用它们的协同效应，制造出具有显著增强整体性能的蒸发层复合材料。

为实现高效的光热转换和界面水蒸发，蒸发器必须配备合理设计的水供应和热绝缘机制[27]。芦荟叶片的结构是一个出色的仿生模型：其外层组织捕获光能，而内层由芦荟凝胶组成。作为一种天然水凝胶，芦荟凝胶的三维网络有效地储存水，并使其缓慢释放和传输，同时形成一层热缓冲层，显著降低等效热导率，从而在环境温度波动下保持内部热稳定性[28]。这种结构为蒸发器设计中的水传输和热管理提供了理想的仿生参考。在设计蒸发器时，必须仔细调节水供应通道，过多的流量会导致热量损失，而供应不足则会影响持续蒸发[26]。受芦荟凝胶特性的启发，可以利用水凝胶实现可控的水释放和传输[29][30]。此外，必须共同优化质量和热传递路径，以最小化界面蒸发过程中的热量损失[31][32]。与其他高含水量材料相比，由于水凝胶的交联三维网络，它们通常表现出较低的热导率，这有效地限制了水分子的移动并抑制了自由扩散和对流的热传递。聚合物-水界面处增强的声子散射进一步降低了整体热导率[33][34][35][36]。因此，水凝胶可以用来将蒸发器与下面的水热隔离。然而，掺入光热转换材料通常会显著增加水凝胶的热导率[37][38][39]，因此需要明智地空间排列这些材料以减少热量损失[40][41][42]。受芦荟凝胶特性和芦荟叶片双层结构的启发，本研究设计了一种集成的双层结构，使用不含光热材料的水凝胶作为水供应和热绝缘层，而碳黑则构成了光热转换层，从而构建了一种高性能的太阳能蒸发器。值得注意的是，许多先前报道的多层蒸发器是通过物理组装或逐步凝胶化来实现层间整合的[54][56][62]。然而，这种逐层构建产生了明显的界面边界，从而增加了水传输路径中的质量传递阻力，并影响了水向蒸发界的连续供应[43]。在逐步交联系统中，相邻层之间的膨胀行为差异在水吸收和膨胀过程中引起了界面应力，可能损害蒸发器在长期运行过程中的结构完整性[44]。相比之下，本研究采用了原位同步交联策略。由于上层前体在下层完全凝胶化之前引入，聚合物链和反应物种可能在随后的交联过程中穿过界面区域，从而有助于形成结构连续的界面过渡区。然而，分子级别的聚合物链互穿和共价键合仍然是基于制造过程和界面形态提出的假设机制，需要通过纳米尺度和定量力学表征来进一步验证。此外，两层都是由相同组成比的聚丙烯酰胺-壳聚糖聚合物系统构建的，这最小化了膨胀行为的不匹配，并有效缓解了界面应力集中。这种结构设计预计可以消除界面质量传递障碍，并在重复的水吸收-脱水循环下显著提高蒸发器的结构和机械稳定性。除了优异的蒸发性能外，理想的太阳能蒸发器还应具备成本效益、易于制造和环保等特性[45][46]。在这项研究中，主要基于聚丙烯酰胺-壳聚糖复合水凝胶设计和制造了一种太阳能蒸发器。水凝胶的交联三维聚合物网络不仅确保了连续的水传输，还减少了水凝胶限制水的有效蒸发能耗，而双层结构设计有效地减少了热量损失。通过在水蒸发层中掺入碳黑作为光热转换材料，实现了95.53%的宽频光吸收。所使用的原材料是常见的工业材料，成本低廉且广泛可用。通过调整丙烯酰胺与去离子水的比例，进一步优化了水凝胶的微观结构，最终开发出了集成了高蒸发速率、耐盐性和稳定性的集成双层水凝胶太阳能蒸发器（B-PC蒸发器）。在单一太阳光照下，B-PC蒸发器在3.5%海水中实现了平均蒸发速率2.38 kg·m?2·h?1，在去离子水中实现了3.44 kg·m?2·h?1。根据在去离子水中的蒸发性能，计算出的固有和表观蒸发效率分别为85.96%和233.35%。

材料
本研究中使用的化学试剂和材料：壳聚糖（中等粘度）、丙烯酰胺（≥ 99%）、N,N′-甲基双丙烯酰胺（≥ 99%）和过硫酸铵（98.5%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司；甲基橙（分析级）和亚甲蓝（分析级）购自湖北BKMAM控股有限公司；硫酸溶液（10%）、氢氧化钠溶液（10%）、炭黑（20 nm）和海盐购自淘宝。除非另有说明，否则所有材料均为市售。

结果与讨论
如表S1所示，本研究开发的复合水凝胶在其水饱和状态下仅表现出0.454 W·m?1·K?1的热导率，显示出有效的热绝缘性能。这一特性归因于水在聚合物网络中的分子级限制和水凝胶内部的声子散射机制，两者共同抑制了热传递[36]。这些特性有助于将吸收的太阳热量集中在气液界面。

结论
本研究成功制造了一种双层聚丙烯酰胺-壳聚糖水凝胶（B-PC）蒸发器，其中碳黑被用作光热转换材料，用于海水淡化和废水处理。水凝胶网络调节水状态并在限制蒸发条件下降低有效蒸发能耗的能力被应用于蒸发器中，该蒸发器的设计灵感来源于芦荟叶片的双层结构。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。