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一种基于Janus水凝胶-织物耦合的三维蒸发器（PCMZ）通过分层结构优化热管理和减少热损失，在15%盐度海水淡化中实现3.44 kg·m?2·h?1的高效蒸发，并具备优异机械稳定性和低成本制备优势。
Jiarong Luo|Jinmin Zhao|Zhensheng Yang|Hao Li|Xiufang Wen|Pihui Pi|Shouping Xu
河北工业大学化学工程与技术学院，化学过程集成与资源利用节能的国家级地方联合工程实验室，天津，300401，中国
摘要
通过涂层法制备了一种Janus聚电解质水凝胶-织物耦合蒸发器PCMZ，该蒸发器能够稳定高效地进行界面太阳能海水淡化。蒸发器由疏水性聚苯乙烯泡沫（EPS）支撑，从而减少了蒸发器向底层水的热损失。使用薄吸水棉和织物作为水传输通道，并在织物表面涂覆聚乙烯醇/壳聚糖/聚丙烯酰胺/聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PVA/CS/PAAM/MTAC）混合物，通过聚合交联形成亲水性凝胶层。最后，在亲水性凝胶层表面用苯甲醛进行疏水改性，制备出三维凝胶-织物蒸发器PCMZ。测试了不同高度的PCMZ的性能，综合考虑了其水传输能力、热管理性能、蒸发速率以及实际应用中的重心。最终选择了高度为3厘米的PCMZ进行进一步实验。测试结果表明，扩展的三维蒸发表面有助于优化热管理并减少热损失，同时提高了PCMZ的机械性能。由于PCMZ这三个部分的协同作用，整体海水蒸发效率可达3.44 kg·m?2·h?1。即使在盐含量为15%的盐水中，该蒸发器也能持续工作，蒸发效率仍可达2.75 kg·m?2·h?1。此外，由于凝胶层中许多细纤维的韧性以及聚合物间的氢键作用，PCMZ具有优异的机械性能，并且能够在超声波、酸和碱的浸蚀下保持稳定。这些结果表明，PCMZ具有稳定性、高效性且易于制造，在工业和农业应用中具有巨大潜力。
引言
尽管地球上的水资源丰富，但淡水仅占总水量的不到3%，这极大地限制了人类可用的水量[1]，[2]。根据联合国《世界水资源开发报告》（2023年），目前全球有36亿人面临水资源短缺和缺乏安全饮用水的问题。预计到2050年，受水资源短缺影响的城市人口将增加到17亿至24亿。水资源供应不足对经济发展造成了严重影响，阻碍了农业、林业、畜牧业和渔业等行业的可持续发展[3]。太阳能驱动的环保海水淡化技术被认为是解决水资源短缺问题最有前景的方法之一[4]。与早期的底部加热蒸发技术[5]和体积加热蒸发技术[6]，[7]，[8]相比，太阳能驱动的界面蒸发技术在光能到热能转换速率、能量转换效率以及淡水产量方面取得了显著进步[9]，[10]，[11]，[12]，使其成为海水淡化最具有前景的方法之一[13]，[14]，[15]。
在界面蒸发过程中，太阳能被转化为热能以加热和蒸发海水。然而，这一过程也会导致热量向周围环境的辐射、与周围空气的对流以及向底层溶液的热传导[16]。这些热损失降低了热能的利用效率，使得传统界面蒸汽发生器的蒸发效率通常只有40%–50%[17]。为了提高光热利用效率，研究人员重点关注了蒸发器界面结构的两个方面：首先，设计三维结构以延长光传播路径，促进光在内部的折射和散射，从而增强光热转换能力[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]；其次是控制用于蒸发的水通道的疏水性，以减少热量向底层水的传导[24]。例如，Zhang Junping开发了一种具有疏水性硅胶芯和超亲水性多壁碳纳米管壳的超亲水蒸发器[25]。超亲水性外壳确保了光热效率和水源的充足供应，而内部的疏水性海绵则减少了热损失。当与电能结合使用时，这种结构在5伏电压下可实现6.53 kg·m?2·h?1的蒸发速率（1个太阳光强度）。Qu Liangti[26]利用高精度注水控制技术，以每分钟8微升的速率将水注入还原氧化石墨烯表面，实现了2.4 kg·m?2·h?1的蒸发速率。Liuxiang Li[27]提出了受限毛细作用的概念，他们通过在普通海绵表面涂覆一层薄薄的黑色亲水纳米粒子来实现这一效果。这些聚集的黑色亲水纳米粒子（大约100–500纳米）形成的通道比原始海绵骨架的孔径（大约50–450微米）小得多，因此这些通道产生的蒸发速率达到了3.2 kg·m?2·h?1（1个太阳光强度）。这些相关技术需要精确控制，制备过程复杂且成本较高。此外，大多数传统的光热水凝胶只能处理低浓度盐水，无法满足工业高盐度废水的长期蒸发和处理要求，其机械性能也往往不令人满意[28]。因此，开发一种新型界面太阳能蒸发器，以提高热利用效率、具备良好的机械性能和耐盐性，并保持成本效益，已成为一个重要挑战[29]。
在这项工作中，我们开发了一种基于Janus聚电解质的凝胶-织物耦合蒸发器（PCMZ），具有协同的光热、界面激活和热管理性能，如图1所示。PCMZ使用疏水性聚苯乙烯（PS）泡沫作为支撑，脱脂棉和织物紧密附着在疏水性泡沫柱上，将水传输到中间的光热转换亲水性聚电解质织物凝胶层（HPFH）。HPFH以柔软的亲水性棉织物为基础，通过AM和MTAC的自由基聚合反应以及MBA和GA的交联作用构建而成。PVA和CS之间的氢键相互作用促进了内部凝胶网络的形成，显著增强了HPFH中聚合物链的稳定性，赋予了最终蒸发器优异的机械性能。疏水性聚苯乙烯泡沫支撑和外层疏水层（OHHL）减少了热量向蒸发器底部和侧面的传导，最大化了用于蒸发过程的热量转换。HPFH与水之间的相互作用有助于形成结合水，降低了蒸发焓。聚电解质的高离子强度以及OHHL疏水层提高了蒸发器的耐盐性。本研究制备的PCMZ凝胶-织物蒸发器在界面蒸发方面表现出优异的性能，材料成本低廉，制备简单，可大规模生产，在太阳能海水净化和消毒领域具有广泛的应用前景。
材料
聚乙烯醇（PVA），醇解度：98.0–99.0 mol%，粘度：5.2–6.0 mPa·s；壳聚糖（CS），脱乙酰度≥95%，粘度100–200 mPa·s；苯甲醛（AR 99%），上海阿拉丁生化科技有限公司；丙烯酰胺（AM）AR，99%，上海麦克林生化科技有限公司；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（MTAC）75%水溶液；氢氧化钠（NaOH），分析级，天津丰川化学试剂技术有限公司；
PCMZ的制备
PCMZ凝胶-织物界面蒸发器是通过逐步过程制备的，如图1a所示。首先使用疏水性膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫作为绝缘支撑骨架，然后包裹上脱脂棉织物用于水传输，接着涂覆黑色聚电解质凝胶（HPFH）作为光热层，最后施加外部疏水凝胶层（OHHL）形成三维圆柱形蒸发器，有效抑制了盐分的影响
结论
本研究开发了一种基于Janus聚电解质的凝胶-织物耦合蒸发器PCMZ，该蒸发器易于制造且成本低廉，同时具备稳定高效的海水淡化能力。该蒸发器采用简单的涂层技术，包含疏水性EPS泡沫柱、导水棉织物、光热聚合物凝胶层和超疏水外壳。PCMZ的多孔粗糙表面实现了强烈的光吸收
CRediT作者贡献声明
Jiarong Luo：撰写——原始稿件。Jinmin Zhao：撰写——原始稿件。Zhensheng Yang：资源协调、项目管理。Hao Li：监督、项目管理、资金获取、概念构思。Xiufang Wen：数据整理。Pihui Pi：实验研究。Shouping Xu：撰写——审稿与编辑。
未引用参考文献
[32]
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了河北省杰出青年自然科学基金（B2023202043）、河北省自然科学基金（B2024202060）和珠海基础与应用基础研究项目（2320004002737）的支持。
