水凝胶基光热薄膜助力高效低成本太阳能驱动膜蒸馏

　　余桂华/赵飞/赵辰阳 AFM：首次报道！

　　【背景介绍】众所周知，淡水是人类生活所不可缺少的资源。在大自然中，由太阳辐射和风驱动的自然水循环激发了各种太阳能驱动的水净化技术。太阳能驱动蒸汽生成（SVG）可将水从非挥发性污染物溶液中分离出来，引发了广泛的关注。然而，由于不够有效的蒸汽转移，蒸汽的产生在蒸发前沿附近局部湿度较高时会受到抑制，因此SVG水净化技术的淡水产率受到了一定的限制。膜蒸馏技术（MD）是一种基于流体运动增强蒸汽转移的有效手段，然而，MD的高能耗导致其水净化成本过高。近年来，太阳能驱动MD（solar-MD）技术被开发出来并初步应用于可再生能源驱动水净化领域。然而，该技术尚处于萌芽阶段，其能量效率和净水产率仍不能满足实际需求。在基于疏水多孔膜的传统solar-MD系统中，疏水膜的存在使得蒸发前沿（光热表面）位于给水侧（原水侧），因此蒸汽的扩散受到疏水膜的阻碍。由于蒸汽扩散不充分，疏水膜内必然会出现相对湿度（RH）降，从而导致疏水膜/载气界面处的RH较低，不利于后续的蒸汽冷凝收集。此外，温度极化效应也限制了solar-MD的整体能量效率。因此，可以同时实现高蒸发速率和高收集速率的光驱动净水系统设计成为了亟需。【成果简介】近日，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授、赵飞博士，和深圳大学赵辰阳教授（共同通讯作者）等人首次报道了一种基于水凝胶超薄膜（HUM）的solar-MD系统，用以同时现实高蒸发速率、有效水蒸汽转移，和高净水产率。在该系统中，HUM的存在使得蒸发前沿直接暴露于载气侧，促进了蒸发，且高蒸发速率下的蒸发冷却效应使得HUM表面温度低于环境，避免了热损失并实现环境能收集，从而从根本上消除了温度极化。得益于此，HUM基solar-MD系统的输出气流湿度显着增加，使系统可在没有任何能量回收和冷却装置下达到80％的蒸汽收集率，并在一个阳光照射下获得2.4 kg m-2

　　h-1的净水产率。更重要的是，HUM的原材料成本仅为0.36 $ m-2，使得HUM基solar-MD系统的淡水生产成本低至约为0.3-1.0 $ m-3。总之，该工作表明基于HUM的solar-MD策略有望同时被用于分散型小规模水净化和集中型大规模水处理。该研究成果以题为“High-Yield and Low-Cost Solar Water Purification via Hydrogel-Based Membrane Distillation”的研究论文发布在国际著名期刊

　　Adv. Funct. Mater.上。