AM-余桂华教授｜吸湿式微凝胶快速提取干旱空气中的水

研究背景

安全饮用水供应不足是一项严重的全球挑战。目前大部分研究致力于集中式水处理，例如海水淡化，然而这受到地理和水文条件的限制。大约12,900立方千米的大气水是一个巨大的无处不在的取水水库。大气集水作为一种新兴的分散制水技术，可以潜在地缓解水压力。在各种大气集水技术中，基于吸附剂的大气集水是唯一可以在低相对湿度(RH，≤30%)下工作的被动方法，这对干旱地区的人们来说是必不可少的。

基于此，德克萨斯大学余桂华教授课题组开发了吸湿性微凝胶(HMG)，用于从干旱环境(RH<30%)中快速提取水，并以“Hygroscopic Microgels-Enabled Rapid Water Extraction from Arid Air”为题在国际顶刊《Advanced Materials》（IF=32.086）上发表研究型文章。

研究内容

基于吸附剂的大气集水(AWH)技术是缓解干旱地区淡水危机的一种有前途的分散式制水技术。水凝胶因其高保水性和可调节的聚合物-水相互作用而被认为是有吸引力的吸水剂。然而，在低相对湿度(RH)下的吸湿和解吸动力学还有待改进，以使其在实际应用中得以实现。在这里，我们报告了由羟丙基纤维素(HPC)和吸湿盐组成的吸湿性微凝胶(HMG)，实现了对AC的吸水。0.5-0.8g·g-1，RH为15-30%。由于HMG在微凝胶中的短距离扩散和热响应性HPC的亲水性-疏水性转换，HMG能够实现快速吸附-解吸动力学。为了验证HMG用于提取水分的可行性，根据材料水平，在低RH条件下，通过每天24-36个操作周期，可以实现相当于7.9~19.1L kg-1的潜在日采水量。因此，该吸湿性微凝胶为实用的大气取水技术提供了可持续和有效的解决方案。

研究结果

图1.(A)改善水凝胶AWH动力学的不同策略。(B)促进AWH工艺的HMG材料设计示意图。

图2.(A)无表面活性剂法制备HMG及HMG的扫描电子显微镜图像。比例尺：500 nm。(B)未交联型HPC的LCST随LiCl浓度从0 M增加到5 M而减小。(C)HMG(绿色曲线)和纯HPC(橙色曲线)的FTIR光谱。(D)HMG(绿色曲线)和纯HPC(橙色曲线)的X射线衍射图。

图3.(A)HMG在25℃时的水蒸气吸附等温线。(B)动态水蒸气HMG和LiCl在15%和30%RH，25℃下的吸附-解吸性能。解吸条件为16%RH，60℃，对应的蒸汽压为3.17 kpa，相当于25℃下的饱和水蒸气压力。(C)HMG在50℃，60℃和70℃下的水蒸气解吸曲线。(D)HMG、纯HPC和LiCl在高温蒸发过程中的热流分布。(E)DVS的HMG自行车性能。15%RH的吸附条件为40分钟，30%RH为20分钟，25°C。两种RH的解吸条件为60°C时20分钟。(F)在RH约为30%时，与最先进的盐基和水凝胶基吸附剂的水蒸气吸收率的比较。

图4.(A)水收集装置的光学图像(左)。柔性加热器(标尺：1厘米)上的样品和冷凝壁上的冷凝水的光学图像(B)在约15%RH和约30%RH下的吸水、水释放和水收集。(C)24小时内累计放水和集水。

文章链接

http://crossmark.crossref.org/dialog/doi=10.1002%2Fadma.2022077.

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