一项基于海绵碳质水凝胶的高效界面光热驱动空气取水器研究

本研究由侯香婷、董方圆、范浩、于文超及卞兆勇等学者完成，通讯作者为王辉，主要研究单位包括北京林业大学环境科学与工程学院、北京林业大学水污染源控制与生态修复工程研究中心以及北京师范大学水科学研究院。该研究成果于2024年12月4日发表在期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 上，论文标题为“Novel Sponge-Based Carbonaceous Hydrogel for a Highly Efficient Interfacial Photothermal-Driven Atmospheric Water Generator”。

一、研究背景与目的

全球饮用水短缺在气候变化和人口增长的双重压力下日益突出。传统的海水淡化、雾水收集、露水收集及直接冷却等技术在水资源匮乏地区往往受到水源或能耗的限制。空气中的水蒸气作为一种普遍存在的可再生淡水资源，具有巨大的开发潜力。近年来，基于吸附的空气取水技术（sorption-based atmospheric water harvesting, SAWH）与界面光热蒸发技术的结合成为淡水生产领域的前沿策略。传统固体吸附剂如沸石、硅胶等存在吸水能力低、再生温度高等不足；金属有机框架（metal–organic frameworks, MOFs）和超吸湿凝胶虽性能优异但成本较高。液态吸湿剂如氯化锂（LiCl）和氯化钙（CaCl₂）具有吸附容量大、成本低、可连续运行等优势，但其解吸过程受限于较大的蒸发焓，导致能耗较高。因此，将界面光热技术引入SAWH系统，利用太阳能驱动液态吸湿剂解吸，成为解决该问题的有效途径。本研究旨在构建一种基于海绵碳质水凝胶的高效界面光热驱动空气取水器，利用三聚氰胺泡沫（melamine foam, MF）与炭黑（carbon black, CB）通过海藻酸钠（sodium alginate, SA）交联制备光热转换材料，实现夜间吸水、白天太阳能驱动产水的连续运行。

二、研究流程与方法

研究首先制备了海绵基碳质水凝胶复合材料CB/SA@MF。将MF切割为约3.5×3.5×0.5 cm³的片材，经乙醇浸泡、超声清洗和干燥后，浸入含有5 g CB的0.75% SA溶液中，真空处理5分钟使CB/SA均匀附着于海绵骨架，80 °C干燥。随后将其浸入5 wt% CaCl₂溶液6小时以进行离子置换，再依次浸入EDC、NHS和AAD溶液各6小时进行化学共价交联，最终清洗得到CB/SA@MF。对照组SA@MF除不添加CB外制备方法相同。材料表征方面，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团，拉曼光谱分析碳结构无序度，紫外-可见-近红外分光光度计测定300–2500 nm全光谱吸收率，扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，X射线光电子能谱（XPS）分析元素组成，X射线衍射（XRD）分析晶体结构，比表面积分析仪（BET）测定比表面积与孔径分布，接触角测量仪测试亲水性。吸湿与释水实验在温湿度控制箱中进行，环境温度25±0.5 °C，湿度30±2%。液态吸湿剂置于12×12 cm²方槽中，液位9 mm，记录每小时质量变化。释水性能通过氙灯模拟太阳光（0.7–2 kW·m⁻²）照射评估。能量转换效率与解吸过程能量损失根据文中公式计算。蒸发装置设计了四种构型A1–A4：A1为单一水道，A2为单一水道加多通孔，A3和A4为多水道加多通孔，其中A4额外引入低导热空气层使蒸发界面与水体分离。纯水蒸发实验中，将材料置于纯水表面，记录质量与温度变化。盐排除实验则在A4表面加入1 g LiCl固体颗粒，观察溶解迁移过程。解吸实验使用30 wt% LiCl和33 wt% CaCl₂溶液，在不同光强下进行，实时记录质量变化和表面温度。户外实验在晴天和多云条件下连续进行夜间吸附和日间解吸，记录环境温湿度、太阳光强和集水量。冷凝水水质通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、总有机碳分析仪（TOC）和电导率仪检测，并与WHO及GB 5749-2022标准对比。

三、主要结果

FTIR证实CB通过交联剂成功负载于MF骨架，出现酰胺键特征峰。拉曼光谱显示CB/SA@MF的D峰与G峰面积比远大于1，说明材料具有高度无序碳结构，热导率低，有利于热量集中。XRD表明CB主要以无定形碳存在并含部分石墨化结构。BET结果显示材料比表面积为106.7 m²·g⁻¹，具有规则微孔和少量介孔，等温线呈IV型并带H1型滞后环，表明材料具有利于毛细作用的孔隙结构。光吸收测试表明CB/SA@MF在300–2500 nm的平均光吸收率达90.0%，远高于MF的19.2%和SA@MF的60.3%。SEM图像显示MF具有蜂窝状多孔骨架，交联后CB凝胶层牢固附着于骨架表面，使原本光滑的骨架变得粗糙，增强了光捕获能力。接触角测试显示水滴在0.5秒内完全渗透材料，证明其具有超润湿特性。刚果红染料渗透实验显示CB/SA@MF在2分钟内使滤纸完全饱和，表现出优异的输水能力。压缩循环测试表明材料在50%应变下经100次循环后应力仅下降1.89 kPa，恢复至初始应力的88.66%，具有优异的机械稳定性。吸湿实验表明饱和LiCl溶液在80% RH下12小时吸水率达56.6%，显著优于CaCl₂溶液。不同液深实验显示9 mm液深的LiCl溶液即可达到与更高液深相同的吸水量，吸湿质量通量为1.39 kg·m⁻²。纯水蒸发实验中，CB/SA@MF的质量变化为1.68 g，约为开放系统的两倍。四种蒸发装置中，A4构型蒸发速率最高，达1.90 kg·m⁻²·h⁻¹，光热转换效率为85.0%。盐排除实验中，A4表面1 g LiCl固体在35分钟内完全溶解并通过多孔结构迁移至水体，表现出优异的排盐能力。解吸实验中，界面加热使30 wt% LiCl溶液在10小时内水分含量从100%降至32.3%，最大解吸速率为1.21 kg·m⁻²·h⁻¹，而体相加热仅降至56.7%。不同光强下LiCl和CaCl₂溶液的平均蒸发速率随光强增加而提高，在1 kW·m⁻²下LiCl溶液光热转换效率为68.7%。能量分析表明解吸过程中热传导损失为4.37%，热辐射损失为0.06%，热对流损失为15.72%，70%以上的太阳能用于水分蒸发。户外实验中，晴天条件下装置夜间吸附23.25 g水，日间8小时解吸收集28.35 g纯水，日产水率达2.84 kg·m⁻²·d⁻¹。水质分析显示冷凝水细菌总数为0 CFU·mL⁻¹，金属离子浓度、TOC、浊度和电导率均满足WHO及GB 5749-2022标准。整机材料成本仅为12美元。

四、结论与意义

本研究成功构建了一种基于界面光热驱动的空气取水器，将海绵基碳质水凝胶CB/SA@MF作为蒸发界面，液态LiCl作为空气吸水剂，实现了夜间吸附与日间太阳能驱动解吸的连续运行。CB/SA@MF具有蜂窝状多级孔道结构、90%的全光谱光吸收率和超润湿特性。A4构型通过多级水道和空气层设计显著提高了蒸发效率与排盐能力。该装置在晴天条件下的日产水率达2.84 kg·m⁻²，水质满足WHO及中国饮用水标准，整机成本仅12美元。该研究为内陆干旱地区和电力匮乏的偏远地区提供了一种低成本、可持续的淡水获取方案，具有重要的科学意义和应用前景。

五、研究亮点

本研究的创新之处在于：（1）利用低成本原料MF、CB和SA通过简单的浸渍-干燥-交联工艺制备出兼具高光热转换效率、超润湿性和优异机械稳定性的复合水凝胶材料；（2）通过A4构型的多级水道与空气层设计实现了蒸发界面与水体的热隔离，显著降低了热损失并提高了排盐能力；（3）将界面光热蒸发技术成功应用于液态吸湿剂的解吸过程，解决了液态吸湿剂再生能耗高的难题；（4）装置成本仅为12美元，且无需电力输入，在户外条件下实现了稳定循环运行，水质达到国际和国内饮用水标准。