水是人類社會生存與發(fā)展必不可少的重要自然資源。同時,水資源分布不均,大量安全和清潔水資源的儲備有限,目前全球有超過10億人遭受飲用水短缺的困擾。
4月9日,記者從華中科技大學獲悉,中國工程院瞿金平院士團隊研發(fā)了一種新型淡水收集泡沫材料,相關研究成果日前在學術(shù)期刊《Small》上發(fā)表。
(資料圖)
“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/被動除冰性,能保障其在戶外實際應用中長時間工作?!眻F隊成員吳婷表示,他們的科研工作所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良好的解決方案。
三年攻堅突破“矛盾體”
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)濟的方式生產(chǎn)淡水,對人類社會可持續(xù)發(fā)展至關重要。受全球氣候變暖等影響,淡水資源日益稀缺。
目前,太陽能光熱界面蒸發(fā)集水是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。
然而,受陽光輻照時長和地域環(huán)境限制,光熱界面蒸發(fā)集水僅能在光照充足時工作,更無法捕獲隱藏在海面(岸)霧氣中淡水,即無法全天候工作。
據(jù)介紹,霧經(jīng)常出現(xiàn)在日落或清晨的海岸和海面上,是一種重要的淡水資源。防霧集水作為一種綠色、低成本的水收集方法,受到廣泛關注。
此前,瞿金平院士華科大團隊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工作,作為解決目前淡水資源危機的有效途徑,這兩種方法各自存在其局限性。為此,該團隊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,沙漠里的甲蟲身體表面都會有一些凸起結(jié)構(gòu),這類凸起形成一種“親水結(jié)構(gòu)”,讓它們可以收集夜晚及日出之前的霧氣。
受動物仿真的啟發(fā),該團隊采用工業(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。
“同時平衡幾種本身存在矛盾關系的性能,這是制備過程中遇到的最大困難?!眳擎谜f,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,但是太高的犧牲性模板含量往往又會大幅度降低材料的力學性能;又比如要防霧集水性能好,需構(gòu)建異質(zhì)潤濕的表面潤濕狀態(tài),整體呈現(xiàn)超疏水的花瓣效應,但是由此可能損失材料的界面蒸發(fā)性能。
最終,歷時三年攻堅克難,團隊通過大量的理論分析和實驗探索,對材料配方和成型工藝進行調(diào)控和優(yōu)化,實現(xiàn)了多種性能的平衡和協(xié)同提升。
集水新材料綠色可持續(xù)
吳婷說,MN-PCG泡沫材料制備過程大概可分為兩步,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,采用該團隊自主研發(fā)的聚合物成型加工設備進行熔融共混加工,實現(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,得到復合材料熔體;復合材料熔體被擠出至表面附有微納結(jié)構(gòu)模板的模具型腔中進行壓縮成型,獲得微納結(jié)構(gòu)復合材料。
第二步,利用水將微納結(jié)構(gòu)復合材料內(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,即泡沫材料的表面形成微納結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)MN-PCG泡沫材料的設計與制備。
“最為關鍵的是,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,已達到WHO制定的飲用水標準,可以直接飲用?!眳擎帽硎荆梢宰孕诺卣f,團隊研發(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足利用;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,實現(xiàn)污水凈水處理。
(原標題:新型綠色材料應對全球淡水危機)
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