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全球三分之二的人口生活在缺水地区。淡水短缺已成为威胁人类可持续发展的一个紧迫的全球性挑战。据估计，大气水资源量为 12 900 立方公里，占地球淡水资源量的≈10%。基于吸附技术的大气水收集（AWH）被认为是缓解水资源短缺的一种很有前景的方法，由于吸附剂具有从空气中捕捉水分子的高亲水性，因此可以在很宽的相对湿度（RH）范围内实现淡水生产，尤其是在低相对湿度（RH<60%）环境中。吸附剂的吸附性能决定了 AWH 系统的集水极限；因此，吸附剂的设计和开发引起了极大关注，并在吸水能力、动力学和稳定性等方面促进了 AWH 的整体性能。以吸附为基础的大气集水（AWH）是缓解全球缺水问题的一种前景广阔的方法。然而，无论昼夜变化和天气如何变化，由可持续能源驱动的可靠供水仍是一项长期挑战。 为解决这一问题，来自新加坡国立大学和上海交通大学的学者提出了一种具有最佳混合-解吸多循环操作策略的聚电解质水凝胶吸附剂，可实现全天候水收集并显著提高日产水量。聚电解质水凝胶的内部渗透压高达 659 atm，可通过不断迁移内部吸附的水来刷新吸附位点，从而提高吸附动力学。带电的聚合物链与吸湿性盐离子配合，将盐固定在一起，防止结块和泄漏，从而提高了循环稳定性。混合解吸模式结合了太阳能和模拟废热，引入了均匀且可调节的吸附剂温度，从而实现全天候超快水释放。通过快速吸附-解吸动力学，优化模型表明，八个水分捕获-释放循环能够实现 2410 mL 水 kgsorbent-1day-1 的高产水量，是单循环非混合模式的 3.5 倍。聚电解质水凝胶吸附剂以及与可持续能量驱动解吸模式的耦合，为下一代 AWH 系统铺平了道路。相关文章以“All-Day Multicyclic
Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid
Desorption Mode”标题发表在Advanced Materials。 论文链接： https:///10.1002/adma.202302038
图 1. a)
PAMPS-CNT-LiCl 水凝胶的制造过程示意图。b) 动态机械分析显示 PAMPS 和 PAMPS-CNT 水凝胶的储存模量（G′）和损耗模量（G″），表明交联成功。c) PAMPS 水凝胶的扫描电镜图像，显示孔径为 5-100 μm 的大孔结构。d) 将 PAMPS-CNT 水凝胶浸入不同浓度的氯化锂溶液中时的膨胀率，表明制备的水凝胶具有高渗透压。e) 水凝胶的傅立叶变换红外光谱，显示代表 S=O 伸展振动的峰值发生了明显偏移。f) PAMPS-CNT 和 PAMPS-CNT-LiCl 水凝胶的高分辨率 S 2p XPS 光谱，显示了磺酸基团的峰位置和强度偏移。g) 水凝胶的 XRD 图样，显示了无定形的 PAMPS 相以及由 LiCl 和 LiCl-H2O 晶体产生的尖锐峰。
图 2. a) 25 和 60 ℃下的水吸附等温线。b) DVS 曲线显示了 PAMPS-CNT-LiCl 在不同工作条件（15% RH、30% RH、60% RH 和 90%
RH，30 ℃ 下）下的动态吸水过程，以及在 6.0% RH，90℃（4.2 kPa）下的动态解吸过程。c) 毫克级样品在 30% 相对湿度条件下的衍生吸水率变化，突出显示了吸附和解吸时间之间的差异。d) 在 25 ℃、30% 相对湿度条件下，在湿度室中测试的块状 PAMPS-CNT-LiCl 样品和不同比重的氯化锂的动态吸附曲线，显示了样品大小对吸附动力学的影响。e) 块状样品在 30% 相对湿度下的衍生吸水率变化。f) 比重为 0.45 g cm-1 的块状 PAMPS-CNT-LiCl 样品在 30 ℃、60% RH 和 90% RH 等不同相对湿度下的动态吸附曲线。h) 在 25℃、90% RH 和 90℃、4.2 kPa 下分别进行了15 次水吸附-解吸循环测试，结果表明水吸附-解吸循环稳定性令人满意。
图 3. a) 用于解吸性能评估的装置示意图，显示了模拟废热（SWH）（由电驱动焦耳加热器表示）和太阳能（SE）输入的位置。b) 模拟太阳辐射强度为 0.6、0.8、1.0 和 1.2 kW m-2 时，SE 驱动的动态解吸曲线。e) 在SE 驱动、SWH 驱动和混合解吸模式下，测量了最初 2 小时解吸期间释放的水量。f) 模拟结果显示了 PAMPS-CNT-LiCl 水凝胶在 SE 驱动、SWH 驱动和混合解吸模式下的表面温度变化。g) PAMPS-CNT-氯化锂水凝胶在 SE 驱动、SWH 驱动和混合解吸模式下的温差变化模拟结果。h) PAMPS-CNT-氯化锂水凝胶在 SE 驱动、SWH 驱动和混合解吸模式下 30 分钟后的温度曲线。
图 4. a) 由太阳能和废热耦合驱动的全天候多循环 AWH 模式示意图。b) 多循环AWH 模式的吸水模式和吸附-解吸持续时间示意图。c) 在 60% 相对湿度和 90% 相对湿度条件下的模拟和实验吸水率变化，显示了 FD 模型的准确性。d) 根据吸附（20-180分钟）和解吸持续时间（10-60 分钟），由优化程序获得的表示每天水释放量的图形映射。
图 5. a) 概念验证型大气采水器示意图。b) 未加工、亲水涂层和疏水涂层丙烯酸盖板的紫外-可见-近红外光谱。插图显示了亲水罩（上）和疏水罩（下）的水接触角。c) 大气水收集器的能量流图。d) 采用混合解吸模式在白天工作的水收集器各部件的温度变化。g) 日间混合解吸模式下水收集器的蒸汽压力梯度，显示吸附剂与冷凝覆盖层之间存在明显的蒸汽压力差。h) 全天每个 AWH 循环期间的吸水量、释放水量和收集水量。i) 拟议的全天候多循环混合解吸 AWH 模式与 SE 或 SWH 驱动的单循环 AWH模式的日产水量比较。 本研究实现了全天候大气集水，并从材料和策略设计方面提高了日产水量。阳离子聚电解质水凝胶吸附剂 PAMPS-CNT-LiCl 具有较大的内部压力和理想的溶胀率，可实现快速吸水动力学和储水。由于其独特的化学成分，它还能使氯化锂离子与带电聚合物链配位，从而稳定地保留盐分。在相对湿度为 15%、30% 和 60% 时，吸附剂 PAMPS-CNT-LiCl 的吸水率分别为 0.65、1.00 和 1.87 g g-1，且没有溶液泄漏的风险。更重要的是，利用太阳能和模拟废热混合解吸模式来驱动水释放，可实现独特的温度模式，使吸附剂温度更加均匀，从而实现超快水释放。此外，余热利用可使水释放时间延长至夜间，从而实现全天候快速多循环集水。此外，还建立了一个与动态吸附-解吸特性相关的优化模型，以获得最佳的吸附-解吸持续时间和每日循环次数。最后，实验室测试的采水器实现了高达 2410 mLwater−1 kgsorbent−1 day−1的高产水生产，分别是单循环太阳能驱动光热模式和废热驱动模式的 3.5 倍和 2.5 倍。（文：SSC） |
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