随着全球气候的急剧变化，未来部分地区将陷入持续的淡水资源危机中，对此科学界已进行了长达数十年的研究来保障淡水资源高效、可持续的生产和利用。在种种研究中，太阳能驱动的界面蒸发是一种有前景的淡水生产方法，但打破水中氢键、产生水蒸汽所需的大量能量却从根本上限制了太阳能废水处理的实用性。水凝胶基材料最近被开发出来，可以减少产生蒸汽所需的能量。水分子被聚合物链上的亲水性基团捕获，形成水化的聚合物网络，从而产生结合水和中间水，中间水作为活性水，蒸发所需的能量比普通水要少。
最近，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授团队报道了一种通过控制水凝胶中聚合物网络水合作用，来降低水分蒸发所需的能量，从而提高蒸发效率和耐久能力的简单策略。该课题组通过调控高度交联的PVA支撑网络与可高度水合化的PSS（聚苯磺酸）功能网络的比例来调控水凝胶中中间水的含量，最终影响水分的蒸发。这项工作展示了一种在分子水平上调节水分子与水凝胶基质之间相互作用的有效方法，以及一种针对含复杂污染物废水的高效节能水处理技术。相关成果以“Topology-Controlled Hydration of Polymer Network in Hydrogels for Solar-Driven Wastewater Treatment”为题，发表在AdvancedMaterials上。
图1. 基于互穿聚合物网络（IPNG）的可控水化太阳能净水原理图。
IPNG的互穿网络由PVA和PSS组成。具有高交联密度的聚乙烯醇（PVA）网络（一种较低溶胀度、限制凝胶饱和水含量的骨架）被聚苯乙烯磺酸盐（PSS）网络穿透，PSS网络作为功能化网络提供了水-聚合物相互作用，包括静电相互作用和氢键激活水分子。具有这种互穿聚合物网络的凝胶可以将超过50％的所含水活化为中间状态。并通过使用经济高效的活性炭作为太阳能吸收器，其太阳能水蒸汽产率（SVG）高达≈3.86kg·m-2·h-1，能量效率约为92%。基于IPNG的太阳能蒸发器还可以长期去除金属离子、不挥发酸、碱和非挥发性洗涤剂。这项工作表明，基于水凝胶的太阳能蒸发器中聚合物网络的拓扑结构调控工程是一种有前途的方法，可以推动太阳能驱动的水净化，为此类技术的实际应用铺平道路。
图2. 水凝胶网络结构的分析。
为了构建IPNG，首先需要通过原位聚合合成混有活性炭的PVA水凝胶。然后，将冻干的PVA水凝胶浸入包含苯乙烯磺酸钠（SS）单体，交联剂和引发剂的前体溶液中，最后通过在90°C下将SS单体自由基聚合而获得由PVA和PSS组成的互穿网络。a）微米级孔的SEM图像以及IPNG中O、S元素的EDX映射，表明孔分布均匀且凝胶化凝胶均匀。b）PVA、PSS和IPNG的FT-IR光谱证明IPNG中存在PVA和PSS。c）PVA和IPNG的XPS光谱表明IPNG中存在PSS。d）动态力学分析显示出PVA和IPNG的储能模量（G'）和损耗模量（G''），表明随着PSS的引入，形成了交联的聚合物网络并具有较强的机械性能。
图3. 基于IPNG的有效水活化。
在由PVA和PSS组成的IPNG中，由于水与聚合物的相互作用，存在三种水，分别是游离水（FW），中间水（IW）和结合水（BW）（图3a和图3b中的插图）。BW与聚合物链中的官能团有很强的相互作用（深蓝色），FW与聚合物链中的官能团没有相互作用（浅蓝色）。如图3a所示，IPNG的拉曼光谱通过高斯函数的四个峰拟合，分别位于3233、3401、3514和3630cm-1。如图3b所示，随着PSS比率从IPNG1逐渐增加到IPNG5（分别为0.341、0.370、0.414、0.585和1.871），结合水含量增加，这表明聚合物网络捕获水分子的能力增强。c）饱和水含量和IW/FW比，以及d）IPNG的蒸发能量消耗显示出可调的相变行为，这归因于水-聚合物相互作用的变化。
图4. 太阳能蒸气产生和太阳能淡化。
为了证明IPNG的海水淡化性能，作者对一个来自墨西哥湾的真实海水样品进行了SVG测试，并通过应用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）评估了所收集水的质量。图4 a）在1 h阳光照射下，IPNG造成的水分的大量蒸发。b）IPNG的太阳蒸发率和能效。蒸发速率分别为2.56±0.07、3.09±0.05、3.86±0.03、3.48±0.06和1.92±0.05kg·m-2·h-1。能量效率分别为76.2±2.1％，86.7±1.4％，92.4±0.9％，89.8±1.5％和54.6±1.3％。c）在净化之前和之后，测得的四个离子的浓度证明可有效去除盐离子，该值显著降低了2-3个数量级，低于通过基于膜的海水淡化技术提纯的值。d）在连续一周的阳光照射下进行了一周的SVG速率测试，以确认IPNG的耐久性，证明了其对实际长期太阳能淡化的潜能。
图5. 废水净化。
为了演示实际净化生活污水的效果，作者对厨房，洗衣房和浴室产生的废水进行了污水处理过程。净化前后的生活污水照片（如图5a），可以看出经过基于IPNG的太阳能净水工艺后，可获得洁净水资源。纯化后，三种废水的pH值接近7。通过电导率测试发现，净化后这些废水样品的盐度显着降低了大约三个数量级，低于世界卫生组织和美国环境保护局规定的饮用水标准（图5b）。这些废水样品的蒸发速率与纯净水样品相似（图5b中的蓝点），表明IPNG在废水净化过程中的稳定性。此外，这些废水中的有机化合物浓度（通过总有机物含量（TOC）分析仪测量）在纯化后降低了2-3个数量级（图5c），其性能优于超滤（图5c中的浅蓝色背景）并且明显优于反渗透技术（图5c中的浅橙色背景）。
本文以水凝胶中自由水、中间水和结合水形成的氢键的能量不同为出发点，通过设计IPNG水凝胶的拓扑结构来调控中间水的比率，从而降低了水分蒸发所需的能量，提高了太阳能蒸发速率和效率。基于IPNG的太阳能蒸发器具有对海水和生活污水的长期稳定性和耐久性，在实际的太阳能驱动的水净化方面显示出巨大的潜力。这项工作提供了一种有效的方法来调节水-聚合物相互作用和水在水凝胶中的状态，通过设计聚合物网络，在分子水平上提出了水管理的有用方法。这一概念对于包括防冻、表面冷却和环境水/湿气管理在内的各种应用具有重要意义。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007012
来源：高分子凝胶与网络
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