作者:吴纯新 高翔 来源:科技日报 发布时间:2023/4/10 13:16:46
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三年攻坚突破矛盾体 新型绿色材料应对全球淡水危机

 

水是人类社会生存与发展必不可少的重要自然资源。同时,水资源分布不均,大量安全和清洁水资源的储备有限,目前全球有超过10亿人遭受饮用水短缺的困扰。

4月9日,记者从华中科技大学获悉,中国工程院瞿金平院士团队研发了一种新型淡水收集泡沫材料,相关研究成果日前在学术期刊《Small》上发表。

“这种泡沫材料具备良好的超疏水性、耐酸碱性、耐热性和主动/被动除冰性,能保障其在户外实际应用中长时间工作。”团队成员吴婷表示,他们的科研工作所提出的全天候淡水收集材料制备方法,为解决全球水资源短缺问题提供了一个良好的解决方案。

三年攻坚突破“矛盾体”

淡水资源在所有生物的生命过程中发挥着不可或缺的作用,以高效经济的方式生产淡水,对人类社会可持续发展至关重要。受全球气候变暖等影响,淡水资源日益稀缺。

目前,太阳能光热界面蒸发集水是解决全球淡水资源短缺最有前途和绿色可持续的解决方案之一。

然而,受阳光辐照时长和地域环境限制,光热界面蒸发集水仅能在光照充足时工作,更无法捕获隐藏在海面(岸)雾气中淡水,即无法全天候工作。

据介绍,雾经常出现在日落或清晨的海岸和海面上,是一种重要的淡水资源。防雾集水作为一种绿色、低成本的水收集方法,受到广泛关注。

此前,瞿金平院士华科大团队已在太阳能光热界面蒸发集水和防雾集水方面开展了许多相关工作,作为解决目前淡水资源危机的有效途径,这两种方法各自存在其局限性。为此,该团队尝试将两种功能集成起来,开发一种全天候的淡水收集材料。

沙漠中的淡水资源十分匮乏,基于自身生存环境,沙漠里的甲虫身体表面都会有一些凸起结构,这类凸起形成一种“亲水结构”,让它们可以收集夜晚及日出之前的雾气。

受动物仿真的启发,该团队采用工业化的微挤出压缩成型技术,制备了一种具有三维互连开孔结构的微/纳结构聚乙烯/碳纳米管(MN-PCG)泡沫材料。

“同时平衡几种本身存在矛盾关系的性能,这是制备过程中遇到的最大困难。”吴婷说,如想要界面蒸发性能好,就需连通蒸汽逃逸通道,即较高的泡沫开孔率,但是太高的牺牲性模板含量往往又会大幅度降低材料的力学性能;又比如要防雾集水性能好,需构建异质润湿的表面润湿状态,整体呈现超疏水的花瓣效应,但是由此可能损失材料的界面蒸发性能。

最终,历时三年攻坚克难,团队通过大量的理论分析和实验探索,对材料配方和成型工艺进行调控和优化,实现了多种性能的平衡和协同提升。

集水新材料绿色可持续

吴婷说,MN-PCG泡沫材料制备过程大概可分为两步,首先以聚乙烯为聚合物基体、无水硫酸钠为牺牲性模板、碳纳米管为光热填料,采用该团队自主研发的聚合物成型加工设备进行熔融共混加工,实现微米级无水硫酸钠和纳米级碳纳米管在聚乙烯基体中的均匀分散,得到复合材料熔体;复合材料熔体被挤出至表面附有微纳结构模板的模具型腔中进行压缩成型,获得微纳结构复合材料。

第二步,利用水将微纳结构复合材料内部的牺牲性模板去除,从而获得具有三维互连开孔结构的泡沫材料;此外,利用外力将表面的微纳结构模板脱除,即泡沫材料的表面形成微纳结构,从而实现MN-PCG泡沫材料的设计与制备。

“最为关键的是,制作该特殊材料的原材料都是绿色环保材料,且我们最终收集到的淡水,已达到WHO制定的饮用水标准,可以直接饮用。”吴婷表示,可以自信地说,团队研发的集水新材料为后续水资源处理节约了过滤成本。

未来,这种新材料在沿海地区、中部地区及沙漠地区大有可为。虽然沿海地区不缺水,但该新材料可以将丰富的海水资源转化为淡水资源,让水资源得到更加充足利用;沙漠地区则可以在夜间或者清晨,将空气中的雾气、露珠等集结,实现防雾集水;对于中部地区而言,可以将该材料悬浮在污水之上,实现污水净水处理。

(原标题:新型绿色材料应对全球淡水危机)

 
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