清華新聞網(wǎng)11月2日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種多功能光熱水凈化凝膠膜，能夠利用太陽(yáng)能直接從受污染的地表水中獲取清潔水蒸氣，產(chǎn)生可飲用的淡水。該水凈化策略能直接排除有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、細(xì)菌、鹽、油等對(duì)水蒸氣和膜體的污染，為高效光熱海水淡化等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用提供新思路。
光熱水凈化技術(shù)以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)力，具有可持續(xù)、碳中和、低成本的優(yōu)勢(shì)，是解決全球水資源危機(jī)的重要策略之一。其凈化原理主要基于熱蒸餾過(guò)程，而地表水體中存在著復(fù)雜污染物，難以通過(guò)簡(jiǎn)單蒸餾的方式完全凈化，殘留的污染物被飲用后會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體健康。同時(shí)，復(fù)雜污染水體會(huì)造成膜體的污染，影響其功能穩(wěn)定與應(yīng)用。
通過(guò)GAH從含有復(fù)雜污染物的地表水中獲取潔凈水
該研究基于魚(yú)鱗啟發(fā)的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并通過(guò)高密度的聚合物網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，開(kāi)發(fā)了石墨烯/海藻酸凝膠膜（GAH）。該膜由氧化石墨烯/海藻酸鈉混合分散液經(jīng)成膜、多次離子交聯(lián)、化學(xué)還原及激光直寫(xiě)表面結(jié)構(gòu)獲得。
通過(guò)多次交聯(lián)循環(huán)制備工藝，GAH具有致密的聚合物分子鏈網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部水分子以結(jié)合態(tài)存在，通過(guò)結(jié)合態(tài)水?dāng)U散形式實(shí)現(xiàn)水的凈化，有效阻止污染物到達(dá)蒸發(fā)界面；同時(shí)，GAH致密聚合物分子網(wǎng)絡(luò)上的含氧官能團(tuán)會(huì)在吸水狀態(tài)下發(fā)生可逆解離，在膜內(nèi)部形成高滲透壓，阻止污水中鹽離子進(jìn)入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高選擇性水凈化，防止長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)過(guò)程中的結(jié)鹽問(wèn)題。
通過(guò)激光直寫(xiě)制備工藝，GAH具有類(lèi)似魚(yú)鱗的微納表面結(jié)構(gòu)，其局域幾何結(jié)構(gòu)吸光能力增強(qiáng)，并具有水下防油污能力及納米片表面滅菌能力。
基于GAH的光熱制潔凈水機(jī)理
最終，GAH能攔截>99.5%常規(guī)揮發(fā)性有機(jī)物和100%非揮發(fā)性有機(jī)物，抑制100%的細(xì)菌，排除>99.3%的離子（如，Na+、Mg2+、K+、Ca2+），實(shí)現(xiàn)高選擇性?xún)艋?。GAH能在3.6wt%的海水中實(shí)現(xiàn)>94.9%的阻鹽率，使表面近100%的細(xì)菌失活，并能與各類(lèi)油性有機(jī)溶劑形成>140°的水下接觸角，實(shí)現(xiàn)多效防污功能。
相關(guān)研究成果近期以“具有高傳輸選擇性和防污能力的多功能太陽(yáng)能水收集器”（Multifunctional solar water harvester with high transport selectivity and fouling rejection capacity）為題，發(fā)表于《自然·水》（Nature Water）期刊。
論文第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系博士生郝軒章，通訊作者為清華大學(xué)教授曲良體、助理研究員程虎虎以及瑞典斯德哥爾摩大學(xué)教授袁家寅。該研究依托于清華大學(xué)有機(jī)光電子與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-佛山先進(jìn)制造研究院等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s44221-023-00152-y
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
