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WAF气凝胶太阳能净水原理 可生物降解太阳能蒸发器气凝胶设计
材料文献解读 / 时间:2021-12-07 22:21:12

贤集网12月7日讯:太阳能蒸馏是一种很有吸引力的、简单的海水淡化和水净化技术,但建设稳定、环境友好和成本效益高的太阳能蒸发器往往是不可行的。在这里,淀粉样混合气凝胶被用于通用和可再生,淡水生产,依靠可持续材料和太阳能的结合,从而使这一过程高度生态和几乎不需要成本。从乳清中提取的淀粉样原纤维(乳清是乳品工业的副产品)被用作气凝胶的主要支架,其顶部表面的太阳能收集特性被生物激发的深色聚合物(如聚多巴胺)增强。由于水在多孔气凝胶中的快速传输,顶部表面的高光热转换能力,以及底部的高效隔热,该混合淀粉原纤维气凝胶在一次光照下的水分蒸发速率为1.61 kg·m-2h-1,太阳热转换效率高达91.3%。这一过程可将不同盐度的海水淡化到低于世界卫生组织建议的饮用水阈值的水平。此外,同一种混合淀粉样蒸发器在去除水中的重金属、有机污染物、细菌和病毒方面效率很高,为海水淡化和水净化引入了一种通用、可持续和节能的解决方案。

最近,由太阳能(太阳能/太阳能驱动蒸发)驱动的蒸馏被提出作为传统脱盐技术的可能替代方案:如果这种方法能够实现分散的水净化,那么许多人就可以获得安全的饮用水。然而,太阳能驱动的蒸发系统仍然面临着巨大的挑战,这阻碍了它们在现实生活中的应用。虽然新材料通常会提高效率和蒸发速率,但在实际生产中,这些都不具有成本效益,而且在整个生命周期评估中也不具有可持续性,因为它们可能会导致二次污染等缺点。此外,许多太阳能蒸发器的长期性能不一致,蒸发率逐渐下降,污垢和盐沉淀进一步加速了蒸发率的下降。在这些材料中,水凝胶、气凝胶、泡沫、和多孔材料,也被认为是成本效益高的太阳能蒸发器前驱体。但是,上面提到的所有缺点阻碍了从实验室规模向大规模蒸发系统的过渡。

为了解决这一开放性挑战,设计了一种以乳清淀粉样原纤维(WAFs)为主要成分的两层可生物降解太阳能蒸发器气凝胶。WAF高度可持续和环保乳清是乳制品行业的富含蛋白质的副产品。使用可生物降解的聚合物聚乙烯醇(PVA)可以进一步增强WAF衍生气凝胶的稳定性,可以代替常用盐或其他有害的交联剂,如戊二醛。

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图1.混合淀粉样原纤维气凝胶的太阳蒸发及其制备工艺a)WAF气凝胶太阳能净水原理图;b)WAF气凝胶制备工艺示意图

通过添加染料或任何吸取辐射的材料,如炭黑,可以实现气凝胶的疏水黑色表层,在这里通过添加WAFs聚多巴胺(PDA)来实现深色的表层,多巴胺是一种聚合形式。由WAF和PVA组成的亲水底层允许水通过毛细管相互作用进行运输,而由WAF、PVA和PDA组成的气凝胶的顶部深色层具有能量收集作用(图1a)。通过这种方式,气凝胶的所有成分都具有成本效益,生物可降解,不会造成环境的二次污染。

总之,在此已经证明,通过使用适当设计的淀粉样气凝胶来收集太阳能,并使用同样的能量来提取水,几乎可以从任何水源生产干净的饮用水。大家从乳制品行业中选择了一种蛋白质副产品作为淀粉样蛋白的来源,通过冻融循环和冻干过程赋予气凝胶必要的孔隙度,以实现高效的水运输。随着时间的推移,气凝胶保持其稳定性,并具有自清洁性能,避免了潜在的盐污染。在多种盐度范围和污染环境中,在中等阳光照射下,气凝胶在水分蒸发方面的出色性能,再加上前驱体材料的低价特性,使得这种方法成为可扩展的水生产的有效候选方法,几乎不需要成本,也不需要能源,除了可免费获得、可再生和无限的太阳能。

以上内容发表在ADVANCED SUSTAINABLE SYSTEMS,论文的第一编辑为ETHZurich的MohammadPeydayesh,通讯编辑为RaffaeleMezzenga。

详情见材料文献解读原文

原文链接:https://doi.org/10.1002/adsu.202100309.


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