全球三分之二的人口正经历不同程度的缺水。同时,目前已经进行了大量的研究工作来开发海水淡化和水净化技术。大气中的水分,据估计超过1万立方公里,是另一个可持续的淡水来源,可以用来缓解目前的水资源短缺。因此,提取无处不在的大气水是一项可持续战略,以使人们能够分散地获取安全管理的水,但由于其在低相对湿度(≤30% RH)下的日出水量有限,此战略仍然具有挑战性

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近日,美国得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队报道了一种由可再生生物质和吸湿盐组成的超吸湿 聚合物 薄膜(SHPFs),在15-30%的相对湿度下表现出0.64-0.96 g g−1的高吸水率。魔芋葡甘聚糖有利于形成具有较大空气-聚合物界面的高孔结构,这有助于活性水分捕获和水汽输送。热响应型羟丙基纤维素能够在低温下进行相变,通过疏水作用协助释放收集的水。通过快速吸附-解吸附动力学,SHPFs在干旱环境中每天运行14-24个周期,相当于5.8-13.3 L kg−1的产水量。用可持续的原料通过简单的铸造法合成,SHPFs展现了低成本、可扩展的大气集水技术在缓解全球水危机方面的潜力。相关工作以“Scalable super hygroscopic polymer films for sustainable moisture harvesting in arid environments”为题发表在最新一期的《Nature Communications》。

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图1. AWH技术及SHPFs的设计原理。

大气集水(atmospheric water harvesting, AWH)的关键步骤包括水分捕获和水分释放,然后是一个简单的过滤或净化过程(图1a)。早期的方法,如捕雾和结露,需要存在较高的相对湿度(>90% RH),这不是一个可行的解决方案,因为全球超过三分之一的陆地面积的年平均湿度低于40%(图1b)。

在这项工作中,研究者开发了超吸湿聚合物薄膜(SHPFs),以优异的动力学从干旱气候(≤30% RH)中提取 水蒸气 SHPF由地球上丰富的生物质、魔芋葡甘聚糖(KGM)和羟丙基纤维素(HPC)组成,作为混合聚合物基质,以保持均匀分散的LiCl溶液(图1c),在RH为15%和30%时,分别达到0.64和0.96 g g –1的吸水率。

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图2. SHPFs的制备与表征。

【SHPFs的制备与表征】

SHPFs是通过一种简单、容易使用的浇铸方法制备的。将含有KGM、HPC和LiCl的凝胶前驱体充分混合,然后倒入模具中,在没有任何化学交联剂或引发剂的情况下,凝胶化在2分钟内发生。冷冻干燥后,SHPF可以从模具上直接剥离使用。SHPFs可以很容易地进行放大,并具有可调的大小和形状。在SEM图像中,可以看到一个粗糙的表面,微孔大小在20-50 μm之间(图2d)。这种微孔结构主要是由亲水的KGM促进的,它扩大了SHPF与空气的界面面积。为了优化吸湿动力学,本文采用厚度为~100 μm的SHPF进行AWH实验

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图3. SHPFs的水蒸气吸附-解吸性能。

【SHPFs的AWH性能】

在恒定的加湿气流下,用动态蒸汽吸附(DVS)系统进行了水汽吸附试验。对纯KGM膜的初始吸附测试表明,由于其高孔隙网络,在低RH(≤30% RH)条件下,吸水率在20min内迅速饱和,为 吸附剂 骨架奠定了良好的基础。添加对水蒸气亲和性高的LiCl (7.3 wt% Li +),总体吸水率在15% RH时为0.69 g g −1,在30% RH时为1.03 g g −1。优化后的SHPF的吸水率在15% RH时为0.64 g g−1,在30% RH时为0.96 g g−1,在60% RH时为1.53 g g−1(图3b)。在15、30和60% RH条件下,达到饱和吸水率80%所需的吸附时间分别为67、36和28 min,这优于大多数最新的吸附剂基AWH材料(图3e)。计算得出,在30% RH条件下,SHPF的水蒸气吸附率为1.65 L kg-1h-1,表明1 kg SHPF在1小时内可以捕获1.65 L的水蒸气,与目前最先进的吸附剂相比效果更好(图3f)。

在较宽的RH范围内,通过60°C的温和加热,SHPF中捕获的水可以在10 min内以>70%的速率释放。此外,SHPF在15% RH下每天循环14次(70 min捕获和30 min释放),在30% RH下每天循环24次(30 min捕获和30 min释放),表现稳定(图3d)。

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图4. SHPF的集水性能和稳定的循环性能。

研究者设计了一个水收集系统,以进一步验证SHPFs从干旱环境中输送淡水的能力(图4a)。结果表明,SHPF在~15% RH、~30% RH和~60% RH条件下的平均吸水量分别为0.56 g g−1、0.82 g g−1和1.31 g g−1(图4c)。计算得出的平均集水效率(即集水与吸水之比)达到87%。连续循环试验表明,SHPF的平均吸水量为0.53 g g -1 (~15% RH)和0.83 g g -1 (~30% RH),Li +残留量较低,相当于每天5.8 L kg-1和13.3 L kg-1,这凸显了SHPF具有优异的供水能力

【小结】

研究者开发了一种新型的SHPFs吸附材料,用于从干旱气候中(RH< 30%)获取大气水分。SHPFs的聚合物基质由可扩展的、廉价的、无毒的生物质(KGM和HPC)组成,有助于增强吸附-解吸动力学的分层多孔结构。此外,KGM/HPC网络在水化过程中抑制吸湿盐颗粒的聚集,使其吸水率显著,循环性能稳定。SHPFs中捕获的水可以通过电加热辅助的HPC链亲水-疏水开关快速释放,运行14-24周期,产水率可达13.3 L kg -1/每天。考虑到SHPF的厚度很薄,将SHPF划分为多层吸附层或垂直吸附层阵列,有望进一步提高单位面积内的产水量,并提高其致密性。预计SHPFs将为开发具有成本效益和可持续的AWH系统提供技术差距的可能性,许多干旱地区和水资源紧张的社区将迫切需要这些系统。

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https://www.nature.com/articles/s41467-022-30505-2

来源:高分子科学前沿

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