水資源短缺帶來的社會問題日益顯著，全球?qū)η鍧嵑桶踩盟男枨髮⒗^續(xù)增長。公共衛(wèi)生危機，例如新型冠狀病毒(COVID - 19)，與水污染或缺乏洗手站造成的疾病傳播有關(guān)。不安全的飲用水每年造成50多萬人死于腹瀉。科學(xué)家們從未停止過在廢水利用、水質(zhì)凈化等領(lǐng)域的研究和探索。許多新的材料和設(shè)備開發(fā)出來，例如膜分離技術(shù)等，加快了海水淡化和廢水回收的步伐。近來，太陽能資源的利用和儲備是研究的熱點之一，如何利用豐富的太陽能實現(xiàn)水質(zhì)凈化，是研究者們探索的話題之一。
普林斯頓大學(xué)的Rodney D. Priestley教授團隊，受河豚的啟發(fā)，制備了一種太陽能吸收器水凝膠(SAG)，只用自然的陽光從受污染的水源中凈化水。該水凝膠由熱響應(yīng)聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAm)水凝膠、光熱聚多巴胺(PDA)層和海藻酸鈉(SA)網(wǎng)絡(luò)組成。該研究內(nèi)容以“A Bioinspired ElasticHydrogel for Solar‐Driven Water Purification”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。
解決水資源短缺問題對于改善生活質(zhì)量和社會繁榮至關(guān)重要。利用太陽能驅(qū)動水分蒸發(fā)是一個有前景的方向。許多研究者在提高太陽能水凈化速率方面已經(jīng)付出了巨大的努力，然而，由于需要克服汽化熱，通過太陽能技術(shù)的產(chǎn)水率仍然不足以滿足實際需求。河豚是一種魚類，當(dāng)受到威脅時，它可以通過吸水來膨脹自己，當(dāng)威脅消失時，它會釋放水，恢復(fù)到原來的形狀。河豚的這種水的吸收和釋放循環(huán)啟發(fā)了作者對材料的設(shè)計。聚N異丙基丙烯酰胺(PNIPAm)水凝膠可以在較低的臨界溶液溫度(LCST，33 ℃)下通過親水/疏水切換來吸收和釋放水，這一溫度很容易通過自然陽光來實現(xiàn)。聚多巴胺(PDA)是一種基于黑色素的聚合物，具有寬帶的太陽吸收和良好的光熱轉(zhuǎn)換效率，可以修飾水凝膠實現(xiàn)太陽能的富集。此外，PDA還具有利于水凈化的特性:氨基和芳香環(huán)的存在使PDA具有通過螯合和氫鍵去除重金屬離子和有機染料的能力。 作者受河豚的吸附和釋放循環(huán)的啟發(fā)，作者開發(fā)了一種具有高彈性的光響應(yīng)式太陽能吸收凝膠(SAG)，如圖1b。將PDA和交聯(lián)海藻酸鈉(SA)沉積在大孔PNIPAm水凝膠上，制備了SAG。SAG操作簡單，在被污染的水中浸泡時，SAG吸收大量的清潔水，同時排斥鹽、生物、油等污染物。一旦暴露在自然陽光下，PDA吸收的太陽熱量加熱了SAG。由于水凝膠在LCST上由膨脹的親水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗莸氖杷疇顟B(tài)，從凹陷中排出了作為液體和蒸汽的干凈液態(tài)水。這種在自然陽光下生產(chǎn)純水的多模式機制為利用可再生太陽能從污染水源中生產(chǎn)高速率的清潔水開辟了新的范例。圖1太陽光驅(qū)動的SAG技術(shù)的凈化水原理。a)河豚在受到威脅時，會因吸水和放水而改變形狀。b)SAG技術(shù)的靈感來源于河豚，基于PNIPAm在自然陽光下的親/疏水。SAG在大氣溫度下從污染的水中收集大量的清潔水，并在自然陽光下釋放清潔水。
SAG技術(shù)將所需的光學(xué)、熱學(xué)、彈性和潤濕性集成到一個單一材料平臺中，用于太陽能驅(qū)動的水凈化:1)PNIPAm作為靈活的集水容器和運輸介質(zhì),2)PDA作為光熱轉(zhuǎn)化材料和污染物過濾器，3) SA作為親水的熱絕緣和污染物過濾器，如圖2a所示。SAG的工作原理是將其浸入受污染的水源中，吸收純水，同時排斥有害雜質(zhì)。隨后，純水在一次陽光照射或自然陽光照射下從SAG排出。當(dāng)毛細作用驅(qū)動水在SAG內(nèi)運移時，SA層的過濾效率顯著降低了結(jié)垢的可能性。
作者通過SEM、EDS、XPS、水接觸角等表征了合成材料的形貌及化學(xué)和物理性能。混合凝膠保留了連通的多孔結(jié)構(gòu)，平均孔徑為50 μm(圖2b、c)。EDX表征了表面元素含量。結(jié)果表明，水凝膠表面有較高的密度和均勻性聚合物膜 (圖2d)。紅外圖像還揭示了PDA的加熱效應(yīng)。為了測試吸水后的SAG的水釋放速率作者進行了實驗，模擬陽光下的SAG促使液態(tài)水釋放。SAG技術(shù)代表了一種清潔的水生產(chǎn)機制，超出以往報道太陽能驅(qū)動的水收集系統(tǒng)完全基于蒸汽的一代。SAG的集水速率在一次陽光照射下達到7.18 kg·m−2·h−1。
圖2。SAG的制備過程和形貌表征。a)常溫下制備SAG的流程。b) PNIPAm-PDA混合凝膠的孔徑分布。c) PDA修飾凝膠在不同放大倍數(shù)下的SEM圖像顯示出大孔結(jié)構(gòu)。d) 表面SEM圖像及X射線能譜以及SAG的橫截面圖像。 作者對SAG的水去污能力進行了多次測試，分別用含小分子染料、重金屬、油和酵母的廢水模擬原料液。其中，鉛被選為代表污染物以測試太陽能驅(qū)動的水凈化。上述模擬過程最大程度地還原了生活污水和工業(yè)污水的情景，結(jié)果表明它在處理各種廢水方面具有很大的潛力。圖5 廢水修復(fù)評價。a)染料污染水的凈水示意圖。b)模擬R6G污染水和SAG生成的水在一次光照下的紫外可見吸收。c) SAG凈化水中的Pb2+。d,e) SAG處理前后SDS穩(wěn)定的水包環(huán)己烷乳劑(d)和酵母溶液(e)的顯微鏡照片。 綜上所述，作者及研究團隊合成了SAG水凝膠，在太陽光下凈水率為7.18 kg·m−2·h−1。該技術(shù)具有可擴展性和模塊化應(yīng)用優(yōu)勢，可以用來凈化各種來源的水，凈化效果良好。該材料有望用來處理市政污水或工業(yè)廢水，實現(xiàn)可持續(xù)的、低能耗的水資源循環(huán)利用。
