20260719利用超交聯水凝膠的電離特性調控超高鹽度鹽水的太陽能驅動結晶

本期分享發表ACS Nano雜志上題目為Tailoring Ionization of Hyper-Cross-Linked Hydrogels for Solar-Driven Crystallization of Ultrahigh-Salinity Brines的研究文章。

Part 1 文章簡介

海水淡化技術不可避免地會產生濃鹽水，而濃鹽水的處理仍然是實現零液體排放系統的主要瓶頸。蒸發結晶法可以直接完全回收鹽分，但其本身能耗較高，且在高鹽度下由于蒸發驅動力減弱而效率顯著降低。光熱界面蒸發法可以提高太陽能的利用率，但鹽分在蒸發界面處的積累和結晶不可避免地會降低高鹽度系統的運行穩定性。本文提出了一種基于氫鍵增強交聯點電離（HIC）策略的超交聯水凝膠膜，用于將結晶界面與光熱蒸發界面解耦。該HIC凝膠膜由羧甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素構成，包含密集的氫鍵微腔，且微腔間的交聯距離可控。這些微腔內的協同電離作用誘導反離子凝聚，并產生自限性離子阻擋效應，同時保持水分子通過氫鍵網絡的快速傳輸。這種選擇性離子調控抑制了蒸發表面的鹽結晶，從而實現了飽和鹽水的連續太陽能驅動結晶。采用HIC凝膠膜的結晶器在自然戶外環境下無需再生或維護即可穩定運行10天以上，平均日產鹽量為2.8 kg m?2。HIC設計實現了結晶與蒸發的分離，為超高鹽度鹽水結晶的持久太陽能驅動終端鹽水處理提供了一種途徑。

?Part 2 主要圖表

圖1是高鹽度鹽水中固液完全分離的示意圖。(a) 通過蒸發結晶實現工業含鹽廢水固液完全分離的路徑示意圖。(b) 超高鹽度鹽水中界面解耦實現固液分離的機理示意圖。羧甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素共交聯形成致密的纖維素網絡，從而實現快速的水傳輸，并在葡萄糖吡喃糖單元之間形成具有可調交聯距離的氫鍵微腔。在溶劑化作用下，協同電離誘導反離子凝聚，使有效離子濃度低于飽和濃度。結晶在膜內和蒸發界面受到抑制，僅發生在受限的過飽和溶液中，從而實現了蒸發和結晶的解耦。

圖2是HIC水凝膠的形貌和結構表征。(a) HIC水凝膠在平放和彎曲狀態下的數碼照片（插圖）。(b, c) 完全溶脹的HIC水凝膠在不同放大倍數下的橫截面掃描電鏡圖像。(d) HIC水凝膠、CMC和HEC的FTIR-可見光譜。(e) 完全溶脹狀態下HIC水凝膠的流變行為。(f) 單獨交聯的CMC、HEC和完全溶脹后的HIC水凝膠的應力-應變曲線。

圖3是HIC水凝膠的離子調控行為。(a) 不同交聯密度HIC水凝膠的飽和含水量。(b) 不同交聯密度HIC水凝膠的DSC曲線。(c) HIC水凝膠與純水的汽化焓。(d) HIC-3水凝膠的界面鹽結晶行為，包括晶體照片和示意圖。(e) HIC-4水凝膠的界面鹽結晶行為，包括晶體照片和示意圖。

圖4是HIC水凝膠中離子調控的機理研究。(a) 不同交聯密度的HIC水凝膠在純水和飽和NaCl溶液中完全溶脹后的離子電導率。(b) 干HIC-4水凝膠和預先在水中溶脹的HIC-4水凝膠浸入飽和NaCl溶液中隨時間變化的含水量。(c) 干HIC-4水凝膠和完全溶脹的HIC-4水凝膠在飽和KCl、NaCl和純水中浸泡24小時后的含水量。(d) 水凝膠蒸發過程中穩態離子分布和內建電場的示意圖。(e) 不同蒸發速率(reva)下HIC-4水凝膠在穩態蒸發過程中產生的電場強度。(f) 不同蒸發速率下HIC-4水凝膠在穩態蒸發過程中相應的表觀離子濃度。

圖5是鹽生產性能。(a) 使用模擬飽和工業鹽水的鹽生產測試裝置示意圖。(b) 不同條件下的鹽結晶速率：晴天（1個太陽光照強度）、有風（2 m s?1）、晴天（1個太陽光照強度）+有風（2 m s?1）、陰天無風。(c) 四種條件下 p-HIC-4 膜與傳統蒸發結晶池的鹽產量比較。(d) HIC 系統在戶外實際條件下運行的照片。(e) 連續 10 天戶外測試的鹽產量。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c05708

引用：Gao, Hao, et al. "Tailoring Ionization of Hyper-Cross-Linked Hydrogels for Solar-Driven Crystallization of Ultrahigh-Salinity Brines." ACS Nano (2026).

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