河北大学研究，河北大学研究生院
基于吸附剂的大气水收集（AWH）已经成为一种有前途的分散式水生产技术，以缓解干旱地区的淡水危机。水凝胶由于其高保水性和可定制的聚合物与水的相互作用可作为有前景的吸水剂。在低相对湿度（RH）条件下，水的吸附和解吸动力学应进一步改善，才能实现其实际应用。
近日，来自德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队进行了细胞对超声波和微泡引起局部扰动的机械反应的相关研究。研究成果以“Hygroscopic-Microgels-Enabled Rapid Water Extraction from Arid Air为题于2022年10月14日发表在《Adv. Mater.》上。
本研究中，构造了羟丙基纤维素（HPC）和吸湿性盐组成的吸湿性微凝胶（HMGs），其吸水量达到了约0.5-0.8 g g-1在相对湿度为15-30%情况下。由于微凝胶中的短距离扩散和亲水性-疏水性转换，HMGs能够实现快速吸附-解吸动力学。在低相对湿度的情况下，每天潜在的水收集量可达7.9-19.1L/kg。凭借可再生的原材料和卓越的性能，HMGs为干旱气候下的快速水分提取提供了一种可行策略。
图1. 改善水凝胶AWH动力学的不同策略和促进AWH过程的HMG的材料设计示意图
水凝胶由于其独特的水-聚合物相互作用和源于水力和膨胀性质的高保水性而成为一种有前景的材料。尽管与盐类相比，吸湿性水凝胶显示出更好的动力学特征，但它们通常需要几个小时才能达到最大吸水量。吸湿性水凝胶的吸收动力学的研究表明，吸收率由蒸汽运输、吸收和液体运输共同决定。因此，可以整合两种一般策略来进一步提高吸湿性水凝胶的动力学性能。首先，在块状凝胶中引入相互连接的孔隙可以使水的运输速度加快。其次，可以通过降低水凝胶的尺寸来增强动力学。按照这种设计原理，
微凝胶，微尺度的水凝胶颗粒，由于其大的表面积和短程水汽运输，可以作为一个有利的水分提取平台，使快速吸附-解吸动力学达到增强产水量目的。
图2 通过无表面活性剂的方法制造HMG及HMG的相关表征
通过无表面活性剂的方法制备HMGs。HPC是一种同时含有疏水和亲水分子的热敏性聚合物。在低于其下限临界溶液温度（LCST）时，亲水作用占主导地位，HPC链处于无规线圈状态。在LCST以上，HPC链通过疏水相互作用转为球状状态。不光滑的表面使接触面积扩大，有利于蒸汽扩散，而小尺寸短距离传输将促进液体运输。傅里叶变换红外光谱（FTIR）可以发现在羟基区域有一个明显的峰值移动，从约3440到3383 cm-1，应为交联后强烈的链间/链内氢键。纯HPC的X射线衍射（XRD）图案在2θ = 9°和20°处出现了两个特征峰，为HPC的结晶相和非结晶相。化学交联破坏了HPC的结晶，重新排列的无定形相导致了HMG图案中20-30°的更宽、更平的峰。只有30.1°的一个小峰是结晶的LiCl，证明适量盐的良好封装。
图3 HMG和LiCl在15%和30% RH, 25 °C下的动态水蒸气吸附-解吸性能
HMG的水蒸气吸附-解吸性能用动态水蒸气吸附（DVS）系统进行测试。HMG在25°C时的蒸汽吸附等温线。显示了一个三段式的等温线，这样的吸附特性证明了在低相对湿度区域有良好的吸水能力。在相对湿度>11%时，水蒸气首先扩散到凝胶网络中，在蒸汽压力的驱动下，开始出现潮解。随后的水分子被吸收发生在液体-气体界面上。同时，与LiCl弱结合或不结合的液体迅速转移到LiCl中。被亲水的羟基所粘合。氯化锂的存在提供了吸湿性以获得高的吸水性，微凝胶的短距离扩散保证了其动力学特性。
图4. 水收集装置的图像及在15% RH和30% RH下的吸水、放水和集水变化
为了验证了HMGs在大气中取水的可行性。水收集室由一个电加热板、一个附有外部冷凝器的倾斜冷凝墙和一个水收集沟组成。首先均匀的把HMG涂在加热器上，然后集水试验前在自制的室内进行水分吸附。随后，样品在密封室中被直流电源加热，蒸发的水可以通过流入沟渠的冷凝水滴被收集。HMG的平均集水量为0.33g g-1，设备层面的各种因素将阻碍吸收剂实现内在的性能，热量利用不足和紧凑的吸收剂床中的蒸汽运输动力学降低等。因此设计多级吸收剂床时，要与整个系统的质量和传热优化相结合。综上研究，该装置由于可持续的材料来源和卓越的性能，HMGs在未来的实施过程中对生产清洁水有很大的前景。
总之，本文开发了HMGs作为一类独特的吸水材料，以实现从干旱空气中快速提取水。HMGs由封装的氯化锂作为吸湿性成分和生物质衍生的HPC基质组成，通过微凝胶配置的短距离扩散特性来提高动力学性能。在30%RH条件下，所制备的HMGs可以在20分钟内捕获80%的饱和水。此外，HPC的热敏性赋予了HMGs通过亲水性-疏水性转换快速释放水的能力，在30%RH条件下，24-36个周期的操作，产水量高达19.1L kg-1 day-1。本研究为设计具有卓越动力学的水凝胶基吸收剂提供了一个可持续和有效的解决方案，对缓解干旱地区的水危机具有重要意义。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202207786
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