AM|为干旱气候下的大气集水调整吸湿凝胶的解吸行为

AM|为干旱气候下的大气集水调整吸湿凝胶的解吸行为

研究背景



大气水分子无处不在的特性使其成为在任何地理位置都可以使用的重要水资源。大气集水(AWH)技术从环境空气中提取水分以产生清洁水,是实现分散制水的一种有前景的方法。盐基吸附剂表现出的高吸水性使其在AWH的应用中具有十分大的潜力,尤其是在低相对湿度 (RH) 环境中。然而,盐基吸附剂通常具有较高的解吸热,使水的释放成为一个能源密集型过程。近日,德克萨斯大学余桂华团队提出了一种吸湿凝胶,PAM(聚丙烯酰胺)水凝胶与LiCl结合,能够有效地从干旱环境中收集水分。

相关成果以“Tailoring the Desorption Behavior of Hygroscopic Gels for Atmospheric Water Harvesting in Arid Climates”为题发表在国际顶刊《ADVANCED MATERIALS》(IF= 32.086,JCR一区,中科院一区TOP)上。


研究内容



研究人员开发了一种PAM-LiCl吸湿凝胶,与纯盐吸附剂相比,它能够在大气中收集水分,具有相对较高的吸水率(20%RH时为1.1g/g)和较低的解吸热(2608J/g)。高吸湿性的氯化锂能够作为有效捕获水分的活性中心,而聚合物水凝胶网络(PAM)与捕获的水相互作用,调整水的状态,产生弱结合的水分子/自由水,从而降低了整体解吸热。研究者在此基础上构建了一个的大气水收集装置原型从低相对湿度(20%RH)的空气中收集水,它提供的水产量每个周期高达约0.5克/克,每天约7克/克。生态友好的前体材料和简单的制备过程使得这种高性能的吸湿凝胶有望在广泛的区域内进行分散的AWH应用,甚至是在相对湿度极低的类似沙漠的地区。


研究数据



图一 PAM-LiCl实现的大气集水(AWH)。(a)通过LiCl和PAM-LiCl实现AWH过程的示意图。(b) PAM-LiCl在捕获水分之前(顶部)和之后(底部)的照片(比例尺:5毫米)。(c) PAM-LiCl在吸水前和吸水后以及解吸后的XRD图谱。

图二 PAM-LiCl的吸附/解吸性能。(a) 25 ℃时的水吸附和解吸等温线。(b) PAM-LiCl和LiCl的水吸附和解吸动力学。吸附条件:20%RH,25℃;解吸条件:10%RH,70℃。解吸水蒸气压力等于25℃时的饱和水蒸气压力,以模拟实际工作条件。(c) PAM-LiCl在25℃下10%RH、20%RH和30%RH的吸附/解吸性能。(d) PAM-LiCl在60 °C、70 °C、80 °C和90 °C下的水解吸曲线(插图显示了在最初的10到50分钟之间水吸收的变化)。

图三 在PAM-LiCl中促进水的解吸。(a) 用DSC测量的LiCl、PAM-LiCl和PAM在水解吸期间的热流曲线。(b) LiCl、PAM-LiCl和PAM的解吸热。(c) 显示LiCl、PAM-LiCl在相同的3g/g水含量下的熔化行为的热流曲线。(d) PAM-LiCl和LiCl在1.5 g/g水含量下的分子动态模拟。(紫色:Li,绿色:Cl,红色:水分子,蓝色:聚合物链) (e)在LiCl和PAM-LiCl模拟中,聚合物(P-W)、离子(I-W)和其他水分子(W-W)相互作用所占据的水的氢键位置的百分比。(f)在LiCl和PAM-LiCl模拟中计算的水分子扩散系数。

图四 PAM-LiCl的大气采水(AWH)性能。(a)通过动态蒸汽吸附(DVS)对PAM-LiCl进行循环稳定性测试。(b)PAM-LiCl在循环中的DVS吸收/解吸曲线图 PAM-LiCl在第1周期和第15周期的DVS吸附/解吸曲线。(c)AWH装置示意图(由一个温度计、一个AWH室和一个电源组成)。(d)AWH室的示意图。(e)累积的水释放和水收集随时间变化(照片显示生产的水)。


文章链接



https://doi.org/10.1002/adma.202205344

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