淡水是人类社会不可或缺的基础，在过去的几十年中一直在走向全球短缺的危机。环保的水净化策略正朝着空前的高度发展，以克服与水能源关系相关的环境挑战。自然界中，由太阳辐射和风驱动的水文循环激发了各种由太阳能驱动的水净化技术（图1a）。
图1基于HUM的solar-MD的示意图。a）自然界中的水文循环。盐水被日光加热，水蒸发。蒸气被风传送到寒冷的地方进行冷凝，产生液态淡水。b）在湿度和温度分布方面比较典型的基于疏水膜的solar-MD和基于HUM的solar-MD。太阳辐射应与系统结构协调，以将蒸发表面定位在水/气界面处。在典型的和基于HUM的系统中，进水分别通过多孔疏水膜和HUM与气流隔离。在典型系统中，蒸发表面附近的高温会导致热量损失，而基于HUM的solar-MD蒸发表面附近的低温会导致环境能量的收集。HUM表面的温度用Twater和Teva表示，其中Twater类似于给水温度，而Teva低于气流。
作为一种环保手段，太阳能净水已经吸引了有关材料设计，系统工程和能源管理的大量研究兴趣。然而，低水产率和相对高的成本实质上限制了其实际潜力。最近，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华/赵飞，携手深圳大学赵辰阳研究团队开发了一种基于水凝胶的超薄膜（HUM），以协同协调促进的蒸汽传输和环境能量的收集，以进行太阳能驱动的膜蒸馏。相关论文以题为HighYieldandLowCostSolarWaterPurificationviaHydrogelBasedMembraneDistillation发表在《AdvancedFunctionalMaterials》上。蒸发前沿直接暴露在气流中，从根本上消除了温度极化引起的能耗。这样一来，输出流的湿度显着增加，因此在没有任何能量回收和冷却配件的情况下，蒸汽收集率提高到80％以上，从而在一个阳光下达到2.4kgm–2h–1的高水产量。原材料成本为0.36m–2的HUM提供了约0.3–1.0m–3的淡水生产竞争力的潜在成本。这项工作展示了一种基于可持续能源的有前途的膜蒸馏策略，可用于分散水净化和大规模水处理。
为了制备HUM，将PVA原位胶凝在炭黑改性纤维素织物上（图2a）。顶部水凝胶层使HUM能够防止液态水泄漏，并使液态水分子通过膜渗透扩散（图2b）。由于水合作用，水凝胶中的聚合物网络可以通过强相互作用（例如氢键）捕获附近的水分子。
图2材料设计和表征。a）嗡嗡声的照片。b）示意图显示了PVA水凝胶和炭黑层的水传输行为。c）HUM横截面的SEM图像，显示了蒸发层（PVA水凝胶）和光热层（炭黑层）。d）HUM的内在和与蒸发有关的太阳加热行为。
将HUMs引入到太阳蒸气发生器中（图3a），其中水凝胶侧朝向气室，使用透明玻璃窗密封气室，使太阳辐射的吸收最小，将盐水和气流注入到气室中。在这样的封闭式蒸汽发生器中，在没有阳光辅助的情况下，在一个阳光下，水的蒸发量被限制在≈0.2kgm–2h–1（图3b）。暴露于空气中会产生2.2kgm–2h–1的单日蒸气，气流以0.45ms–1的速度施加到气室时，蒸气产生速率会提高到2.1kgm–2h–1，表示蒸气在蒸发前沿附近的扩散决定了SVG速率以及太阳能的转化率。
图3太阳蒸气产生（SVG）性能。a）基于HUM的蒸汽发生器的示意图。b）在不同的条件下，在一个太阳下，给水的质量变化表明气流对水蒸发的重要性。蒸发率和太阳能转化效率取决于c）气流速率和d）太阳强度。（c）和（d）中的气流温度为25°C。太阳强度为（c）中的1kWm–2。空气流量为（d）0.75ms–1。
与传统的基于PTFE的光热膜相比，在一个阳光下，HUM表现出更高的固有蒸发性能，这在给定的气流速度下从根本上增加了出口气流的RH（图4a）。基于HUM的solar-MD系统可实现高达2.4kgm–2h–1的高产水量，而基于PTFE膜的系统（作为对照实验）仅可提供0.46kgm–2h–1的水量（图4b）。此外，基于HUM的solar-MD系统还具有出色的长期稳定性（图4c）。为了与以前报道的solar-MD系统进行公平比较，评估了基于HUM的系统在两个有代表性的太阳通量0.7和1kWm–2下的出水量。涉及与独立于制冷冷凝器和多级设计的solar-MD有关的最新工作（图4d）。
图4环境条件太阳能驱动的水生产。a）水蒸发速率和b）集水速率与气流速率之间的关系。控制系统由基于PTFE的疏水膜构成。c）在长期工作中，基于HUM的solar-MD系统的出水量。d）将基于HUM的solar-MD与之前的solar-MD工作的水产量进行比较。代表强度分别为W和Wm-2的太阳辐射分别对应于标准测试的值和自然光的通量。
研究人员扩展了比较范围，以显示使用未聚光的阳光进行的最先进的海水淡化（图5）。为了与以前的报告中最先进的太阳能蒸馏系统进行公平比较，此处使用了太阳能到水的效率，而不是太阳能到蒸汽的效率。
图5基于HUM的太阳能MD系统的淡水生产性能与先前报告的不带制冷或热回收配件的太阳能淡化系统的比较。
研究团队在此展示了首个通过基于HUM的solar-MD协同集成的同类高产，低成本的太阳能净水系统：1）水凝胶可实现高速率蒸汽的产生;2）能源-基于气流辅助的高效蒸气传输，以及3）暴露的蒸发前沿，用于能量管理。这些协同功能通过同时具有防水性能和高SVG率的水凝胶蒸发层得以实现。所产生的蒸汽的扩散动力学从根本上提高了迁移位置，从而避免了疏水膜的使用。在低气流速度下可获得高蒸发速率，以促进最终的集水。该设计代表了一种有前途的战略，可在成本和产量方面发展具有高纯度，可扩展性和实用性的可持续淡水生产。此外，该策略还可以洞悉水相变化过程中质量与能量转移的协同效应，以及未来先进的MD技术的潜力。
参考文献：10./adfm.
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