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王鵬教授團(tuán)隊(duì)Mater. Horiz.：無金屬、無腐蝕、全固態(tài)聚合物基水蒸氣吸附劑，用于吸附式制冷和空氣中收集水

2021-03-15 13:22:17 作者：本網(wǎng)整理來源：X-MOL資訊分享至：

近年來，由于能源與水資源短缺問題日益嚴(yán)峻、低碳和環(huán)保理念深入人心，水蒸氣吸附劑越來越受到重視。它可以利用太陽(yáng)能、廢熱、余熱等低品位熱源來驅(qū)動(dòng)吸附式制冷、空氣中集水、吸附脫鹽和濕度調(diào)控等多種應(yīng)用，從而緩解電力供應(yīng)緊張的壓力，有效減小碳排放量，提供穩(wěn)定淡水供應(yīng)。但是，目前常見的無機(jī)鹽（CaCl2、LiCl等）吸附劑吸水后會(huì)形成鹽溶液，存在泄漏滲出的問題，而且由于鹵素離子的存在，無機(jī)鹽吸附劑具有很強(qiáng)的腐蝕性。另一方面，硅膠和沸石等傳統(tǒng)吸附劑由于其低的吸附能力而限制了其應(yīng)用的性能。除此之外，一些用于制備吸附劑的金屬元素，如鋰在地球上的儲(chǔ)量有限而且正在日益減少。因此，迫切需要發(fā)展無金屬、無腐蝕、全固態(tài)的高性能吸附劑。

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圖1. 工作亮點(diǎn)

近日，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)/香港理工大學(xué)王鵬教授課題組報(bào)道了一種具有高吸水能力、無腐蝕、無金屬的全固態(tài)聚合物吸附劑。作者首先制備了具有季胺陽(yáng)離子的交聯(lián)聚合物水凝膠，然后利用離子交換的方法，用環(huán)境友好的陰離子（醋酸根、草酸根、檸檬酸根離子）替換掉水凝膠中的氯離子，設(shè)計(jì)合成了無金屬、無鹵素、純固態(tài)的吸附劑。所得到的吸附劑同時(shí)含有高吸濕性能的季胺基團(tuán)和羧酸根基團(tuán)，所以具有高的水蒸氣吸附能力。由于存在共價(jià)交聯(lián)作用，該吸附劑即使在吸水之后依然能保持固態(tài)的形態(tài)。將氯離子替換成醋酸根、草酸根和檸檬酸根離子之后，該吸附劑的腐蝕性大大降低。將該吸附劑用于空調(diào)吸附式制冷和空氣中集水應(yīng)用中，分別得到了較高的制冷性能和集水能力，體現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

圖2.（a）聚合物基吸附劑的制備過程及（b）工作原理

首先利用自由基聚合的方法制備交聯(lián)的聚陽(yáng)離子水凝膠，然后將水凝膠充分浸泡在醋酸鈉、草酸鈉和檸檬酸鈉水溶液中進(jìn)行離子交換，最后用去離子水洗去殘留的離子并加熱干燥之后，便得到了無金屬、無鹵素、純固態(tài)的聚合物吸附劑（圖2a）。由于季胺基團(tuán)和羧酸根基團(tuán)的高吸濕性能，該吸附劑可以自發(fā)的吸附水蒸氣。太陽(yáng)光和低品位熱源可以用來驅(qū)動(dòng)吸附劑的解吸過程，從而將水蒸氣從吸附劑中釋放出來（圖2b）。

圖3.（a）聚合物基吸附劑的吸水性能及（b）防腐蝕性能

在離子交換之后，醋酸根離子結(jié)合的吸附劑（PAETA-Ac）具有最好的吸水能力（圖3a）。與氯離子相比，醋酸根中的羧酸根基團(tuán)對(duì)水分子有更強(qiáng)的親和力和更多的配位數(shù)，從而可以吸附更多的水分子。而草酸根和檸檬酸根離子屬于多電荷陰離子，對(duì)陽(yáng)離子聚合物起到離子交聯(lián)的作用，從而吸附能力小于PAETA-Ac吸附劑。更重要的是，由于PAETA-Ac吸附劑同時(shí)含有高吸濕性能的季胺基團(tuán)和羧酸根基團(tuán)，其水蒸氣吸附能力是目前報(bào)道的聚合物吸附材料（未加修飾和復(fù)合的純聚合物）中最高的。而在經(jīng)過離子交換之后，無氯離子的吸附劑大大降低了對(duì)金屬的腐蝕性能（圖3b）。

圖4.（a）聚合物基吸附劑用于空調(diào)吸附式制冷的原理及（b，c）性能

作為對(duì)該吸附劑實(shí)際應(yīng)用前景的評(píng)估，作者首先研究了其在空調(diào)吸附式制冷應(yīng)用中的性能。其吸附制冷的原理是（圖4a）：當(dāng)吸附劑吸附水蒸汽時(shí)（水為環(huán)境友好的制冷劑），水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，吸收蒸發(fā)器中的熱量，產(chǎn)生制冷效果，這個(gè)過程即吸附過程。然后利用熱源加熱吸附劑，使吸附劑釋放出水蒸汽，水蒸汽在冷凝器中放出熱量并凝結(jié)為液體，這個(gè)過程即解吸過程。最后吸附劑被冷卻重新獲得吸附能力。PAETA-Ac吸附劑具有高的水蒸氣吸附能力和高的制冷性能（圖4b，c）。在熱源溫度/再生溫度為70 °C、獲得20 °C（ΔT, Temperature lift）的降溫條件下，PAETA-Ac吸附劑的COP（Coefficient of Performance）值為0.75。

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圖5. 空氣中集水

另一方面，作者研究了該吸附劑在空氣中集水的能力。在此實(shí)驗(yàn)中，將光熱材料碳納米管摻雜在PAETA-Ac吸附劑中以賦予吸附劑光熱驅(qū)動(dòng)水蒸氣解吸附的能力，然后進(jìn)行戶外的空氣集水實(shí)驗(yàn)。在夜晚將PAETA-Ac暴露在空氣中進(jìn)行水蒸氣吸附過程，然后將PAETA-Ac密封在容器中進(jìn)行太陽(yáng)光輔助的水收集過程。在一個(gè)循環(huán)的水蒸氣吸附-解吸-冷凝過程中，該吸附劑可以生產(chǎn)出符合WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)的淡水。

這項(xiàng)工作為無腐蝕、純固態(tài)吸附劑的設(shè)計(jì)提供了新的思路。所發(fā)展的聚合物基吸附劑集成了高吸水性、無金屬、無腐蝕與固態(tài)性能，在水資源與能源領(lǐng)域表現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力。

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