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每天每平方米可集水70斤 新型泡沫:全天候淡水收集“小能手”
科技日報 吳純新 / 時間:2023-04-24 10:01:45

科技日報月20日訊:4月17日,科技日報記者從華中科技大學獲悉,中國工程院瞿金平院士團隊研發了一種新型淡水收集泡沫材料,相關研究成果日前發表在學術期刊《Small》上。

“這種泡沫材料具備良好的超疏水性、耐酸堿性、耐熱性和主動/被動除冰性,這些特性能保證其在戶外實際應用中長時間工作?!眻F隊成員吳婷表示,他們提出的全天候淡水收集材料制備方法,為解決全球水資源短缺問題提供了一個良好的解決方案。

實現多種性能協同提升

淡水資源在所有生物的生命過程中發揮著不可或缺的作用,以高效經濟的方式生產淡水,對人類社會可持續發展至關重要。受全球氣候變暖等影響,淡水資源日益稀缺。

太陽能光熱界面蒸發集水是通過光熱轉換收集太陽能,并將其轉換為熱能加熱界面海水,從而產生高溫蒸汽以生產淡水的方法,是目前解決全球淡水資源短缺最有前途和綠色可持續的解決方案之一。防霧集水是通過捕捉空氣中的霧氣以生產淡水的方法,作為一種綠色、低成本的水收集方法,也得到了廣泛關注。

此前,該團隊已在太陽能光熱界面蒸發集水和防霧集水方面開展了許多相關工作。然而,作為解決目前淡水資源危機的有效途徑,這兩種方法存在各自的局限性。為此,該團隊嘗試將兩種功能集成起來,開發一種全天候的淡水收集材料。

沙漠中的淡水資源十分匱乏,基于自身生存環境,沙漠甲蟲身體表面由疏水凹槽和親水凸包構成,形成了異質潤濕狀態,從而可以快速收集夜晚或清晨空氣中的霧氣。

受沙漠甲蟲的啟發,該團隊采用工業化的微擠出壓縮成型技術,制備了一種具有三維互連開孔結構的微/納結構聚乙烯/碳納米管(MN-PCG)泡沫材料。

“同時平衡幾種本身存在矛盾關系的性能,是我們在制備過程中遇到的最大困難?!眳擎谜f,如想要界面蒸發性能好,就需連通蒸汽逃逸通道,即較高的泡沫開孔率,然而這樣一來又會大幅度降低材料的力學性能;又比如要防霧集水性能好,需構建異質潤濕微納結構表面,但是這可能損失材料的界面蒸發性能。

最終,歷時3年攻堅克難,團隊通過大量的理論分析和實驗探索,對材料配方和成型工藝進行調控和優化,實現了多種性能的平衡和協同提升。

集水新材料綠色環保

吳婷說,MN-PCG泡沫材料制備過程大體可分為兩步,首先以聚乙烯為聚合物基體、無水硫酸鈉為犧牲性模板、碳納米管為光熱填料,采用該團隊自主研發的聚合物成型加工設備進行熔融共混加工,實現微米級無水硫酸鈉和納米級碳納米管在聚乙烯基體中的均勻分散,得到復合材料熔體;復合材料熔體被擠到表面附有微納結構模板的模具型腔中進行壓縮成型,獲得微納結構復合材料。

第二步,利用水將微納結構復合材料內部的犧牲性模板去除,從而獲得具有三維互連開孔結構的泡沫材料;此外,利用外力將表面的微納結構模板脫除,即在泡沫材料的表面形成微納結構,從而實現MN-PCG泡沫材料的設計與制備。

該材料表面的三維微/納結構為微小水滴提供了充足的成核點以從潮濕空氣中收集水分,在夜間實現了每平方厘米每小時1451毫克的霧收集效率。聚乙烯基體中均勻分散的碳納米管和氧化石墨烯@碳納米管涂層,賦予了MN-PCG泡沫材料優異的光熱性能。得益于優異的光熱性能和互連的蒸汽逃逸通道,MN-PCG泡沫材料在1個太陽光照下獲得了每平方米每小時2.42千克的優異蒸發速率。

因此,通過集成太陽能光熱界面蒸發集水和防霧集水,MN-PCG泡沫材料可實現日均每平方米35千克的集水量。

“最為關鍵的是,制作該特殊材料的原材料都是綠色環保材料,且我們最終收集到的淡水,已達到世界衛生組織制定的飲用水標準,可以直接飲用?!眳擎帽硎?,團隊研發的集水新材料為后續水資源處理節約了過濾成本。

未來,這種新材料在沿海地區、中部地區及沙漠地區大有可為。雖然沿海地區不缺水,但該新材料可以將豐富的海水資源轉化為淡水資源,讓水資源得到更加充分的利用;沙漠地區則可以在夜間或者清晨,將空氣中的霧氣、露珠等集結,實現防霧集水;對于中部地區而言,可以將該材料懸浮在污水之上,實現污水凈水處理。


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