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第一作者：Panpan Zhang

通讯作者：Hengyi Lu，余桂华

通讯单位：德克萨斯大学奥斯汀分校

论文DOI：
https://doi.org/10.1002/adma.202110548

全文速览

水溶的挥发性有机化合物（VOCs）在自然水源循环中广泛分布，其会污染水源，导致严重的生态危害。然而，针对 VOCs 的水净化技术是能源密集型的，并且所获得的水纯度不能令人满意。其根本的挑战是如何通过分离器有效区分水和 VOC 分子的运动。在这里，作者提出了一种超吸水凝胶 (SWEG) 的概念，用于通过直接太阳能蒸馏进行 VOC 管理和水净化。超交联的亲水聚合物网络中的强氢键作用使 SWEG 能够从含有 VOC 的水中提取水，当水通过界面蒸发时，它会排斥 VOC 溶质。获得的 SWEG 在 1 个太阳下的太阳能蒸馏实现了高达 99.99% 的 VOCs 去除率。作者还展示了一个太阳能净水系统，它可以生产清洁水，超越了其他基于电力的竞争技术。

背景介绍

由于过度消耗和严重污染，安全的淡水资源在过去几十年中持续萎缩，这加剧了全球水资源短缺。水净化技术的发展不断扩大了水源的来源，包括受污染的淡水资源、海水、地下水和废水。当前的策略，如多级过滤、反渗透和蒸馏是能源密集型的。为水净化提供充足和重要的能源被认为是一项基本挑战。在这种情况下，太阳能蒸馏水作为一种正在兴起的有前景的方法，可用于水循环利用，特别是对于迫切需要分散式水处理的发展中地区，因为阳光作为可再生能源存在于世界各地。太阳能蒸馏可以通过从含有非挥发性污染物的原水中产生蒸汽来生产高质量的水，甚至可以满足饮用水的标准。但是，目前该技术缺乏从水中去除挥发性溶质的能力，因此从根本上削弱了它的实用性。

挥发性有机化合物 (VOCs) 源自生活、工业和农业废水，在低浓度下可能对人体健康有害。水溶性 VOCs已侵入水循环系统并成为全球健康威胁（图1a)。根据美国环境保护署 (US EPA) 进行的一项调查，全国五分之一的供水中都可以检测到 VOC。开发有效的技术来消除水中的 VOC，对于确保清洁和安全的饮用水有重要意义。与传统的去除 VOCs 的水净化技术相一致，该技术也包括吸附过滤、催化降解、膜蒸馏和全蒸发等。研究人员探索了 VOCs/水分离，其中设计的选择性渗透分离器能够实现水和 VOCs 分子的不同迁移通量。然而，由于功能膜对水和低浓度 VOCs 的选择性不足，在高能效下生产饮用水仍然具有挑战性。

图文解析

图1. 基于 SWEG 的太阳能蒸汽发电去除水中 VOC的技术。a) VOCs 来源于工业排放、农药和生活污水，通过自然水循环，污染河流、湖泊、地下水和海洋等潜在水源。b) VOC 管理是通过界面太阳能水蒸发实现的，其中 SWEG 作为光热蒸发器。SWEG 具有由高度水合的海藻酸盐组成的超交联聚合物网络 (HPN)，它可以与包含的水分子形成氢键。由于氢键在热力学上比水和 VOC 分子之间的偶极-偶极相互作用更稳定，因此 SWEG 吸引水分子并排斥 VOC 分子。水将被输送到蒸发表面，在太阳照射下产生蒸汽，而 VOCs 将限制在散装原水中。

图 2. SWEG 的表征。a) SWEG 膜的照片。b）SWEG的横截面SEM图像，呈现出均匀致密的结构。c) SWEG 的高倍 SEM 图像，显示了光滑的横截面。d) 与传统水凝胶相比，SWEGs 的饱和含水量处于较低水平。e,f) 不同饱和含水量SWEGs的 (e)应变-应力曲线和 (f) XRD分析。

图3. 基于 SWEG 的 VOC 排斥机制。a) FTIR 光谱，显示了 SWEG 中的亲水基团。b）追踪纯冰和完全水合SWEG的融化行为的DSC曲线，其中直线表明相应样品中的所有水分子通过氢键与HPN强烈相互作用，成为不可结冰的水。c) HPN与所含水分子之间的氢键示意图。

图4. 基于 SWEG 的太阳能蒸馏。a) 太阳能与空气和水循环系统集成的示意图。b) 具有 SWEG 的开放系统与没有HPN 的、基于藻酸盐水凝胶的对照实验系统所产生的太阳能蒸汽性能的对比。c）SWEG在封闭系统中，不同气流通量下的产水量。(b) 和 (c) 所示试验相关的水是浓度为 50 ppm 的苯酚水溶液。d) 使用 SWEG 和不含 HPN 的水凝胶作为太阳能蒸发器，所纯化的水中的苯酚残留。样品是浓度为 20、50 和 100 ppm 的苯酚水溶液，分别表示为 p20、p50 和 p100。e) 使用 SWEG 和不含 HPN 的水凝胶作为太阳能蒸发器，所纯化的水中的残留三氯乙烯。样品是浓度为 20、50 和 100 ppm 的三氯乙烯水溶液，分别表示为 t20、t50 和 t100。(d) 和 (e) 中的绿色和粉色虚线分别显示了 WHO 和 US EPA 推荐的健康饮用水标准。f) 去除苯酚和三氯乙烯的长期性能。进水中苯酚和三氯乙烯的浓度均为 100 ppm。

图 5.与现有的 VOC 消除技术的比较。基于 SWEG 的太阳能蒸馏技术明显降低了对电力的依赖，这得益于太阳能的利用。此外，作为一种替代概念，基于 SWEG 的蒸馏可以生产出用于日常饮用的、安全的高质量水，超过了先前报道的技术。

总结与展望

基于上述结果，作者已证明具有超交联聚合物网络的超吸水凝胶 (SWEG)，可用于太阳能蒸馏直接从水中去除 VOC。超交联海藻酸盐作为活性材料在分子水平上分离 VOC 和水。借助 HPN 量身定制的拓扑结构，SWEG 可以与所包含的水分子形成强氢键，进而从 VOC 溶液中提取水，并使 VOCs 远离蒸发表面，从而产生清洁的水蒸气。太阳能蒸馏器被证明可以在一个太阳下从VOC 污染的水中连续生产清洁水，产量高达 1.4 kg m-2 h-1。该概念对下一代水净化技术具有重要意义，因为它使用可持续能源、廉价且环保的材料，并且易于凝胶化，明显简化了大规模制造。它有望为分散式生活用水净化（尤其是在偏远地区）以及工业污水的太阳能净化提供家用太阳能蒸馏器。