新型泡沫：全天候淡水收集“小能手” 新要聞
4月17日，科技日報(bào)記者從華中科技大學(xué)獲悉，中國工程院瞿金平院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型淡水收集泡沫材料，相關(guān)研究成果日前發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Small》上。
“這種泡沫材料具備良好的超疏水性、耐酸堿性、耐熱性和主動(dòng)/被動(dòng)除冰性，這些特性能保證其在戶外實(shí)際應(yīng)用中長時(shí)間工作。”團(tuán)隊(duì)成員吳婷表示，他們提出的全天候淡水收集材料制備方法，為解決全球水資源短缺問題提供了一個(gè)良好的解決方案。
【資料圖】
實(shí)現(xiàn)多種性能協(xié)同提升
淡水資源在所有生物的生命過程中發(fā)揮著不可或缺的作用，以高效經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)淡水，對人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。受全球氣候變暖等影響，淡水資源日益稀缺。
太陽能光熱界面蒸發(fā)集水是通過光熱轉(zhuǎn)換收集太陽能，并將其轉(zhuǎn)換為熱能加熱界面海水，從而產(chǎn)生高溫蒸汽以生產(chǎn)淡水的方法，是目前解決全球淡水資源短缺最有前途和綠色可持續(xù)的解決方案之一。防霧集水是通過捕捉空氣中的霧氣以生產(chǎn)淡水的方法，作為一種綠色、低成本的水收集方法，也得到了廣泛關(guān)注。
此前，該團(tuán)隊(duì)已在太陽能光熱界面蒸發(fā)集水和防霧集水方面開展了許多相關(guān)工作。然而，作為解決目前淡水資源危機(jī)的有效途徑，這兩種方法存在各自的局限性。為此，該團(tuán)隊(duì)嘗試將兩種功能集成起來，開發(fā)一種全天候的淡水收集材料。
沙漠中的淡水資源十分匱乏，基于自身生存環(huán)境，沙漠甲蟲身體表面由疏水凹槽和親水凸包構(gòu)成，形成了異質(zhì)潤濕狀態(tài)，從而可以快速收集夜晚或清晨空氣中的霧氣。
受沙漠甲蟲的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)采用工業(yè)化的微擠出壓縮成型技術(shù)，制備了一種具有三維互連開孔結(jié)構(gòu)的微/納結(jié)構(gòu)聚乙烯/碳納米管（MN-PCG）泡沫材料。
“同時(shí)平衡幾種本身存在矛盾關(guān)系的性能，是我們在制備過程中遇到的最大困難。”吳婷說，如想要界面蒸發(fā)性能好，就需連通蒸汽逃逸通道，即較高的泡沫開孔率，然而這樣一來又會(huì)大幅度降低材料的力學(xué)性能；又比如要防霧集水性能好，需構(gòu)建異質(zhì)潤濕微納結(jié)構(gòu)表面，但是這可能損失材料的界面蒸發(fā)性能。
最終，歷時(shí)3年攻堅(jiān)克難，團(tuán)隊(duì)通過大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)探索，對材料配方和成型工藝進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了多種性能的平衡和協(xié)同提升。
集水新材料綠色環(huán)保
吳婷說，MN-PCG泡沫材料制備過程大體可分為兩步，首先以聚乙烯為聚合物基體、無水硫酸鈉為犧牲性模板、碳納米管為光熱填料，采用該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的聚合物成型加工設(shè)備進(jìn)行熔融共混加工，實(shí)現(xiàn)微米級無水硫酸鈉和納米級碳納米管在聚乙烯基體中的均勻分散，得到復(fù)合材料熔體；復(fù)合材料熔體被擠到表面附有微納結(jié)構(gòu)模板的模具型腔中進(jìn)行壓縮成型，獲得微納結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
第二步，利用水將微納結(jié)構(gòu)復(fù)合材料內(nèi)部的犧牲性模板去除，從而獲得具有三維互連開孔結(jié)構(gòu)的泡沫材料；此外，利用外力將表面的微納結(jié)構(gòu)模板脫除，即在泡沫材料的表面形成微納結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)MN-PCG泡沫材料的設(shè)計(jì)與制備。
該材料表面的三維微/納結(jié)構(gòu)為微小水滴提供了充足的成核點(diǎn)以從潮濕空氣中收集水分，在夜間實(shí)現(xiàn)了每平方厘米每小時(shí)1451毫克的霧收集效率。聚乙烯基體中均勻分散的碳納米管和氧化石墨烯@碳納米管涂層，賦予了MN-PCG泡沫材料優(yōu)異的光熱性能。得益于優(yōu)異的光熱性能和互連的蒸汽逃逸通道，MN-PCG泡沫材料在1個(gè)太陽光照下獲得了每平方米每小時(shí)2.42千克的優(yōu)異蒸發(fā)速率。
因此，通過集成太陽能光熱界面蒸發(fā)集水和防霧集水，MN-PCG泡沫材料可實(shí)現(xiàn)日均每平方米35千克的集水量。
“最為關(guān)鍵的是，制作該特殊材料的原材料都是綠色環(huán)保材料，且我們最終收集到的淡水，已達(dá)到世界衛(wèi)生組織制定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可以直接飲用。”吳婷表示，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的集水新材料為后續(xù)水資源處理節(jié)約了過濾成本。
未來，這種新材料在沿海地區(qū)、中部地區(qū)及沙漠地區(qū)大有可為。雖然沿海地區(qū)不缺水，但該新材料可以將豐富的海水資源轉(zhuǎn)化為淡水資源，讓水資源得到更加充分的利用；沙漠地區(qū)則可以在夜間或者清晨，將空氣中的霧氣、露珠等集結(jié)，實(shí)現(xiàn)防霧集水；對于中部地區(qū)而言，可以將該材料懸浮在污水之上，實(shí)現(xiàn)污水凈水處理。
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