精选不锈钢纤维束挂钩生产厂家人造“河豚”实现太阳能净水，在处理各种废水方面具有很大潜力

　　精选不锈钢纤维束挂钩生产厂家人造“河豚”实现太阳能净水，在处理各种废水方面具有很大潜力

　　精选不锈钢纤维束挂钩厂家人造“河豚”实现太阳能净水，在处理各种废水方面具有很大潜力。水资源短缺带来的社会问题日益显著，全球对清洁和安全用水的需求将继续增长。公共卫生危机，例如新型冠状病毒(COVID - 19)，与水污染或缺乏洗手站造成的疾病传播有关。不安全的饮用水每年造成50多万人死于腹泻。科学家们从未停止过在废水利用、水质净化等领域的研究和探索。许多新的材料和设备开发出来，例如膜分离技术等，加快了海水淡化和废水回收的步伐。

　　近来，太阳能资源的利用和储备是研究的热点之一，如何利用丰富的太阳能实现水质净化，是研究者们探索的话题之一。普林斯顿大学的Rodney D. Priestley教授团队，受河豚的启发，制备了一种太阳能吸收器水凝胶(SAG)，只用自然的阳光从受污染的水源中净化水。

　　该水凝胶由热响应聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)水凝胶、光热聚多巴胺(PDA)层和海藻酸钠(SA)网络组成。该研究内容以“A Bioinspired ElasticHydrogel for Solar‐Driven Water Purification”为题发表在《Advanced Materials》上。

　　河豚启发的水凝胶制备

　　解决水资源短缺问题对于改善生活质量和社会繁荣至关重要。利用太阳能驱动水分蒸发是一个有前景的方向。许多研究者在提高太阳能水净化速率方面已经付出了巨大的努力，然而，由于需要克服汽化热，通过太阳能技术的产水率仍然不足以满足实际需求。

　　河豚是一种鱼类，当受到威胁时，它可以通过吸水来膨胀自己，当威胁消失时，它会释放水，恢复到原来的形状。河豚的这种水的吸收和释放循环启发了作者对材料的设计。聚N异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)水凝胶可以在较低的临界溶液温度(LCST，33 ℃)下通过亲水/疏水切换来吸收和释放水，这一温度很容易通过自然阳光来实现。

　　聚多巴胺(PDA)是一种基于黑色素的聚合物，具有宽带的太阳吸收和良好的光热转换效率，可以修饰水凝胶实现太阳能的富集。

　　此外，PDA还具有利于水净化的特性：氨基和芳香环的存在使PDA具有通过螯合和氢键去除重金属离子和有机染料的能力。

　　作者受河豚的吸附和释放循环的启发，作者开发了一种具有高弹性的光响应式太阳能吸收凝胶(SAG)，如图1b。将PDA和交联海藻酸钠(SA)沉积在大孔PNIPAm水凝胶上，制备了SAG。

　　SAG操作简单，在被污染的水中浸泡时，SAG吸收大量的清洁水，同时排斥盐、生物、油等污染物。一旦暴露在自然阳光下，PDA吸收的太阳热量加热了SAG。由于水凝胶在LCST上由膨胀的亲水状态转变为塌陷的疏水状态，从凹陷中排出了作为液体和蒸汽的干净液态水。

　　这种在自然阳光下生产纯水的多模式机制为利用可再生太阳能从污染水源中生产高速率的清洁水开辟了新的范例。

　　图1 太阳光驱动的SAG技术的净化水原理。a)河豚在受到威胁时，会因吸水和放水而改变形状。b)SAG技术的灵感来源于河豚，基于PNIPAm在自然阳光下的亲/疏水。SAG在大气温度下从污染的水中收集大量的清洁水，并在自然阳光下释放清洁水。

　　SAG技术将所需的光学、热学、弹性和润湿性集成到一个单一材料平台中，用于太阳能驱动的水净化：

　　1、PNIPAm作为灵活的集水容器和运输介质;

　　2、PDA作为光热转化材料和污染物过滤器;

　　3、SA作为亲水的热绝缘和污染物过滤器。如图2a所示。SAG的工作原理是将其浸入受污染的水源中，吸收纯水，同时排斥有害杂质。随后，纯水在一次阳光照射或自然阳光照射下从SAG排出。当毛细作用驱动水在SAG内运移时，SA层的过滤效率显著降低了结垢的可能性。

　　SAG的形貌及性能表征

　　作者通过SEM、EDS、XPS、水接触角等表征了合成材料的形貌及化学和物理性能。混合凝胶保留了连通的多孔结构，平均孔径为50 μm(图2b、c)。EDX表征了表面元素含量。结果表明，水凝胶表面有较高的密度和均匀性聚合物膜 (图2d)。红外图像还揭示了PDA的加热效应。

　　为了测试吸水后的SAG的水释放速率作者进行了实验，模拟阳光下的SAG促使液态水释放。

　　SAG技术代表了一种清洁的水生产机制，超出以往报道太阳能驱动的水收集系统完全基于蒸汽的一代。SAG的集水速率在一次阳光照射下达到7.18 kg m−2h−1。

　　图2 SAG的制备过程和形貌表征。a)常温下制备SAG的流程。b) PNIPAm-PDA混合凝胶的孔径分布。c) PDA修饰凝胶在不同放大倍数下的SEM图像显示出大孔结构。d) 表面SEM图像及X射线能谱以及SAG的横截面图像。

　　污水净化实验

　　作者对SAG的水去污能力进行了多次测试，分别用含小分子染料、重金属、油和酵母的废水模拟原料液。其中，铅被选为代表污染物以测试太阳能驱动的水净化。上述模拟过程最大程度地还原了生活污水和工业废水的情景，结果表明它在处理各种废水方面具有很大的潜力。

　　图3 废水修复评价。a)染料污染水的净水示意图。b)模拟R6G污染水和SAG生成的水在一次光照下的紫外可见吸收。c) SAG净化水中的Pb2+。d,e) SAG处理前后SDS稳定的水包环己烷乳剂(d)和酵母溶液(e)的显微镜照片。

　　综上所述，作者及研究团队合成了SAG水凝胶，在太阳光下净水率为7.18 kg m−2 h−1。该技术具有可扩展性和模块化应用优势，可以用来净化各种来源的水，净化效果良好。该材料有望用来处理市政污水或工业废水，实现可持续的、低能耗的水资源循环利用。

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