研究背景

随着全球能源危机、气候变化和环境污染的不断升级，确保人类生存所需的水和可持续能源已成为当务之急。在过去几十年里，人们开发了各种技术来解决水资源短缺问题，如界面太阳能海水淡化、膜蒸馏和电化学水处理。然而，这些技术的实施往往受到高成本和水运输限制的阻碍，尤其是在废水和海水资源有限的欠发达地区和内陆地区。大自然的水循环补充了大气中的水分，是一种可再生、可持续的水源，为解决水资源紧张问题提供了一个前景广阔的解决方案。据估计，空气中储存的水相当于12900立方公里的大量淡水资源。这使得家庭无需额外净化即可获得安全用水，为大气集水（AWH）技术作为满足当地用水需求和提高淡水产量的可靠解决方案铺平了道路。AWH方法通常分为被动式和主动式AWH。被动式AWH设备，如雾和露水收集器，由于完全依赖天气条件，性能较低。相反，以吸附为基础的主动式水收集装置能够利用替代能源输入，主动执行吸附-解吸循环，以实现可持续的水收集。这大大减少了设备的占地面积，提高了集水效率。因此，基于吸附的AWH技术已被视为干旱地区分散式供水的有效策略。AWH设备一般由多孔吸附剂、热源发生器和冷凝器组成。其中，多孔吸附剂是最关键的部件，因为它的吸附-解吸效率对整个集水效率影响很大。目前迫切需要开发吸湿盐与多孔框架相结合的复合吸附材料，以改善吸附和解吸动力学。因此，东北电力大学李浩然老师团队报告了一种双层水分吸附剂（BMA），用于增强太阳能驱动的AWH。

相关成果以“Enhancing solar-driven atmospheric water harvesting by a bilayer macroporous hydrogel”为题发表于国际学术期刊《Applied Thermal Engineering》上。

研究结论

研究人员在MMA的顶表面引入了光吸收层，以解决AWH应用中解吸性能差和阻碍吸附-解吸动力学的问题。上层包含具有高光吸收特性的碳纳米粒子（CN），以促进吸收的水的快速解吸，而下层没有嵌入CN，使BMA能够在阳光下吸收水。这种双层结构有效隔离了基底和光热器件，减少了热量损失，提高了光热转换。在这种配置中，CN的存在将增强吸附剂的太阳能吸收能力并改善其结构特性，包括孔径和分布。由于其致密的大孔隙结构和粗糙的表面，为水的吸附提供了更多的活性位点。BMA100在90%RH和25 °C下可吸附3.96 g g −1的水，比MMA-1高20%。此外，太阳能驱动的水蒸发实验证明了解吸性能与CMMA高度之间的密切联系，具有较大CMMA高度的BMA表现出更快的解吸率。MMA的解吸率明显低于BMA，导致MMA的总解吸能力仅达到72%。然而，较高CMMA高度下盐析出量的增加导致BMA100的总解吸能力仅为77%。重要的是，优化后的BMA50在3小时内解吸了98%的水分，表现出优异的解吸能力。BMA的自发快速吸水性和高效的太阳能驱动水释放特性使其成为满足干旱环境中AWH水分吸附剂多功能要求的有希望的候选者。

研究数据

图1. 双层水分吸附剂的示意图。

图2. BMA经过(A)聚合、(B)冷冻干燥、(C)二次冷冻干燥和(D)吸湿后的照片。

图3. BMA100的扫描电子显微镜和元素图谱图像。

图4. (A)MMA的孔径分布，(B)MMA-1和BMA100的UV-Vis-NIR吸收光谱，(C)不含LiCl的MMA-1、MMA-1和BMA100的FTIR光谱。

图5. XPS光谱。

图6. MMA和BMA的大气水分吸附性能。

图7. (A)BMA50和(B)BMA100解吸前后的吸收率。(C)顶面温度的变化。(D)BMA的解吸性能。

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123045

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