精選不銹鋼纖維束掛鉤生產廠家人造“河豚”實現太陽能凈水，在處理各種廢水方面具有很大潛力

　　精選不銹鋼纖維束掛鉤廠家人造“河豚”實現太陽能凈水，在處理各種廢水方面具有很大潛力。水資源短缺帶來的社會問題日益顯著，全球對清潔和安全用水的需求將繼續增長。公共衛生危機，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。不安全的飲用水每年造成50多萬人死于腹瀉。科學家們從未停止過在廢水利用、水質凈化等領域的研究和探索。許多新的材料和設備開發出來，例如膜分離技術等，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水質凈化，是研究者們探索的話題之一。普林斯頓大學的Rodney D. Priestley教授團隊，受河豚的啟發，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)網絡組成。該研究內容以“A Bioinspired ElasticHydrogel for Solar‐Driven Water Purification”為題發表在《Advanced Materials》上。

　　河豚啟發的水凝膠制備

　　解決水資源短缺問題對于改善生活質量和社會繁榮至關重要。利用太陽能驅動水分蒸發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，通過太陽能技術的產水率仍然不足以滿足實際需求。

　　河豚是一種魚類，當受到威脅時，它可以通過吸水來膨脹自己，當威脅消失時，它會釋放水，恢復到原來的形狀。河豚的這種水的吸收和釋放循環啟發了作者對材料的設計。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。

　　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換效率，可以修飾水凝膠實現太陽能的富集。

　　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的啟發，作者開發了一種具有高彈性的光響應式太陽能吸收凝膠(SAG)，如圖1b。將PDA和交聯海藻酸鈉(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轉變為塌陷的疏水狀態，從凹陷中排出了作為液體和蒸汽的干凈液態水。

　　這種在自然陽光下生產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高速率的清潔水開辟了新的范例。

　　圖1 太陽光驅動的SAG技術的凈化水原理。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技術將所需的光學、熱學、彈性和潤濕性集成到一個單一材料平臺中，用于太陽能驅動的水凈化：

　　1、PNIPAm作為靈活的集水容器和運輸介質;

　　2、PDA作為光熱轉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。隨后，純水在一次陽光照射或自然陽光照射下從SAG排出。當毛細作用驅動水在SAG內運移時，SA層的過濾效率顯著降低了結垢的可能性。

　　SAG的形貌及性能表征

　　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和物理性能。混合凝膠保留了連通的多孔結構，平均孔徑為50 μm(圖2b、c)。EDX表征了表面元素含量。結果表明，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。

　　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促使液態水釋放。

　　SAG技術代表了一種清潔的水生產機制，超出以往報道太陽能驅動的水收集系統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−2h−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下的SEM圖像顯示出大孔結構。d) 表面SEM圖像及X射線能譜以及SAG的橫截面圖像。

　　污水凈化實驗

　　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廢水的情景，結果表明它在處理各種廢水方面具有很大的潛力。

　　圖3 廢水修復評價。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穩定的水包環己烷乳劑(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。該技術具有可擴展性和模塊化應用優勢，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廢水，實現可持續的、低能耗的水資源循環利用。

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