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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”

2023-04-20   科技日报   阅读量:194

    4月17日,科技日报记者从华中科技大学获悉,中国工程院瞿金平院士团队研发了一种新型淡水收集泡沫材料,相关研究成果日前发表在学术期刊《Small》上。

    “这种泡沫材料具备良好的超疏水性、耐酸碱性、耐热性和主动/被动除冰性,这些特性能保证其在户外实际应用中长时间工作。”团队成员吴婷表示,他们提出的全天候淡水收集材料制备方法,为解决全球水资源短缺问题提供了一个良好的解决方案。

    实现多种性能协同提升

    淡水资源在所有生物的生命过程中发挥着不可或缺的作用,以高效经济的方式生产淡水,对人类社会可持续发展至关重要。受全球气候变暖等影响,淡水资源日益稀缺。

    太阳能光热界面蒸发集水是通过光热转换收集太阳能,并将其转换为热能加热界面海水,从而产生高温蒸汽以生产淡水的方法,是目前解决全球淡水资源短缺最有前途和绿色可持续的解决方案之一。防雾集水是通过捕捉空气中的雾气以生产淡水的方法,作为一种绿色、低成本的水收集方法,也得到了广泛关注。

    此前,该团队已在太阳能光热界面蒸发集水和防雾集水方面开展了许多相关工作。然而,作为解决目前淡水资源危机的有效途径,这两种方法存在各自的局限性。为此,该团队尝试将两种功能集成起来,开发一种全天候的淡水收集材料。

    沙漠中的淡水资源十分匮乏,基于自身生存环境,沙漠甲虫身体表面由疏水凹槽和亲水凸包构成,形成了异质润湿状态,从而可以快速收集夜晚或清晨空气中的雾气。

    受沙漠甲虫的启发,该团队采用工业化的微挤出压缩成型技术,制备了一种具有三维互连开孔结构的微/纳结构聚乙烯/碳纳米管(MN-PCG)泡沫材料。

    “同时平衡几种本身存在矛盾关系的性能,是我们在制备过程中遇到的最大困难。”吴婷说,如想要界面蒸发性能好,就需连通蒸汽逃逸通道,即较高的泡沫开孔率,然而这样一来又会大幅度降低材料的力学性能;又比如要防雾集水性能好,需构建异质润湿微纳结构表面,但是这可能损失材料的界面蒸发性能。

    最终,历时3年攻坚克难,团队通过大量的理论分析和实验探索,对材料配方和成型工艺进行调控和优化,实现了多种性能的平衡和协同提升。

    集水新材料绿色环保

    吴婷说,MN-PCG泡沫材料制备过程大体可分为两步,首先以聚乙烯为聚合物基体、无水硫酸钠为牺牲性模板、碳纳米管为光热填料,采用该团队自主研发的聚合物成型加工设备进行熔融共混加工,实现微米级无水硫酸钠和纳米级碳纳米管在聚乙烯基体中的均匀分散,得到复合材料熔体;复合材料熔体被挤到表面附有微纳结构模板的模具型腔中进行压缩成型,获得微纳结构复合材料。

    第二步,利用水将微纳结构复合材料内部的牺牲性模板去除,从而获得具有三维互连开孔结构的泡沫材料;此外,利用外力将表面的微纳结构模板脱除,即在泡沫材料的表面形成微纳结构,从而实现MN-PCG泡沫材料的设计与制备。

    该材料表面的三维微/纳结构为微小水滴提供了充足的成核点以从潮湿空气中收集水分,在夜间实现了每平方厘米每小时1451毫克的雾收集效率。聚乙烯基体中均匀分散的碳纳米管和氧化石墨烯@碳纳米管涂层,赋予了MN-PCG泡沫材料优异的光热性能。得益于优异的光热性能和互连的蒸汽逃逸通道,MN-PCG泡沫材料在1个太阳光照下获得了每平方米每小时2.42千克的优异蒸发速率。

    因此,通过集成太阳能光热界面蒸发集水和防雾集水,MN-PCG泡沫材料可实现日均每平方米35千克的集水量。

    “最为关键的是,制作该特殊材料的原材料都是绿色环保材料,且我们最终收集到的淡水,已达到世界卫生组织制定的饮用水标准,可以直接饮用。”吴婷表示,团队研发的集水新材料为后续水资源处理节约了过滤成本。

    未来,这种新材料在沿海地区、中部地区及沙漠地区大有可为。虽然沿海地区不缺水,但该新材料可以将丰富的海水资源转化为淡水资源,让水资源得到更加充分的利用;沙漠地区则可以在夜间或者清晨,将空气中的雾气、露珠等集结,实现防雾集水;对于中部地区而言,可以将该材料悬浮在污水之上,实现污水净水处理。(吴纯新)