水凝膠膜
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-30
水凝膠膜的實例教程
Greer
團隊
開發了一種水凝膠膜，該膜包含具有高表面積的分層三維微觀結構，兼具了兩種功能并可以用作全天的淡水收集器。
在晚上，水凝膠膜可有效捕獲霧滴并將其定向輸送到存儲容器中。在白天，它充當界面太陽蒸汽發生器，通過改善的熱/蒸汽流管理，在1個太陽下可實現3.64 kg m-2 h-1的高蒸發率。借助自制的屋頂集水系統，這種水凝膠膜可以在室外測試中產生淡水，日產量約為34 L m-2，這證明了其緩解全球缺水的潛力
。相關論文以題為
All-day fresh water harvesting by microstructured hydrogel membranes
發表在《
Nature Communications
》上。
【主圖導讀】
圖
1：雙功能凝膠膜的設計和全天集水原型。
圖
2：微結構化PVA/PPy
(聚乙烯醇
/聚吡咯)凝膠膜的制備和結構表征。
圖
3：具有微樹拓撲結構的PVA/PPy凝膠膜的霧氣收集特性。
圖
4：微結構化PVA/PPy凝膠膜的太陽蒸汽產生特性。
圖
5：在戶外全天通過PVA/PPy凝膠微樹陣列集水。
參考文獻
：
doi.org/10.1038/s41467-021-23174-0
版權聲明：「
高分子材料科學
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展開 此外，由于蒸發發生在滲透側，蒸汽的傳質阻力大大減小，電荷梯度水凝膠膜的水通量相比商業的聚四氟乙烯（PTFE）膜可提高60%-110%。基于以上優勢，該電荷梯度水凝膠膜能夠對含有廣譜污染物（500 mg L-1）的高鹽廢水（130 g L-1）進行長達200 h的長時間穩定脫鹽處理。該技術為高鹽廢水脫鹽的直接零液體排放開辟了一條有嶄新的道路。
圖1. 傳統膜蒸餾與基于CGH的膜蒸餾的對比。具有疏水性多孔膜的傳統膜蒸餾具有高的蒸汽傳質阻力，而且容易被有機污染物和無機鹽結晶污染；基于CGH的膜蒸餾的蒸汽傳質阻力低，并且可防止有機污染與無機鹽結垢。
圖2. CGH膜的電荷梯度結構和輸水性能。a）CGH膜的截面結構示意圖；b）一卷CGH膜的照片（500厘米乘15厘米）；c）干燥的CGH的橫截面SEM圖像和 d，e）鈉元素（d）和硫元素（e）對應的EDS圖譜；f）具有不同帶電單體比例的電荷均質水凝膠（CHH）的水結構和輸水速率；g）在帶有相同電荷單體比的CHH（左）和CGH（右）膜中模擬水的傳輸速度。
圖3. CGH的長時間穩定性和脫鹽性能。a）在由各種無機鹽和有機污垢組成的高鹽度廢水連續脫鹽過程中，基于CGH的膜蒸餾的水通量和滲透離子傳導率；b）脫鹽前后的照片和相應的離子電導率；c）脫鹽前后所測廢水中四種主要陽離子的濃度；d）脫鹽前后廢水的拉曼光譜。
展開 最近，中國科學院理化技術研究所江雷院士，青島大學隨欣教授/范汶鑫副教授/隋坤艷教授科研大團隊，共同通過超快反應擴散法制備的連續梯度全多糖聚電解質水凝膠膜已被證明能夠實現高性能的滲透能轉換。除了固有的高離子電導率和優異的離子選擇性外，抗溶脹梯度聚電解質膜保留了非對稱膜的離子二極管效應，以促進單向離子擴散，但避免了它們不利的界面效應。因此，基于梯度聚電解質膜的發電機可以通過混合海水和河水呈現 7.87 W/m2 的超高功率密度，遠遠優于最先進的膜。本研究中的設計策略可以為構建用于滲透能收集的高性能膜提供新的見解。相關論文以題為Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators發表在《Angewandte Chemie International Edition》上。第一作者是青島大學碩士研究生邊國帥同學。
【主圖導讀】
【梯度聚電解質水凝膠膜的制備與表征】
圖 1. 梯度全多糖聚電解質水凝膠膜滲透發電機示意圖。(a)多糖聚電解質的材料資源和分子結構、所得水凝膠膜的梯度結構和滲透能收集過程的示意圖。(b 和 c) 梯度 CS/SA 水凝膠膜的橫截面 SEM 圖像 (b) 和 CLSM 圖像 (c)。
【離子跨膜傳輸特性】
圖 2. 跨膜離子傳輸特性。(a) 梯度 CS/SA 膜的離子電導與鹽濃度的關系。(b) 在 0.01 M KCl 溶液中記錄的梯度膜的 I-V 曲線。(c) 使用不同 SA 濃度制備的梯度 CS/SA 膜的 Zeta 電位。(d) 兩種帶相反電荷的熒光染料滲透實驗的時間-濃度曲線。(e) 梯度 CS/SA 水凝膠膜的溶脹度 (SD) 對鹽濃度的依賴性。
展開 針對上述缺點，在江雷院士指導下，青島大學隋坤艷教授團隊以殼聚糖和海藻酸鈉等多種可再生降解天然多糖聚電解質為原料設計出具有連續梯度的非對稱水凝膠膜。梯度分布的負電荷不僅可以避免傳統非對稱膜的分層風險，而且繼承了非對稱膜的離子二極管效應。此外該梯度薄膜還具有良好的陽離子選擇性和超高的離子電導率。因此，當混合海水與河水時，該膜基發電系統的功率密度高達7.87 W/m2，優于已報道的膜基滲透能轉換系統。更重要的是，作者還首次揭示了其功率密度隨測試面積增大而減小的原因是由測試設備過大的電阻造成的，并從理論和實際進行了優化。該研究可以同時從材料與裝置設計角度為高性能RED發電系統的開發提供理論和實踐指導。
【梯度聚電解質水凝膠膜的制備與表征】
【離子跨膜傳輸特性】
【不同條件下的滲透能轉換行為】
【混合海水與河水時的滲透能轉換行為】
該項工作的通訊作者為隋坤艷教授、范汶鑫副教授和隨欣教授，第一作者為青島大學碩士研究生邊國帥，青島大學為通訊單位。相關成果以“Anti-swelling gradient polyelectrolyte hydrogel membranes as high-performance osmotic energy generators”為題發表于《Angewandte Chemie International Edition》。
文章來源：
https://doi.org/10.1002/anie.202108549
展開 加州理工學院Ye Shi等人開發了一種水凝膠膜，它包含具有高表面積的分層三維微觀結構，兼并了兩種功能，并充當全天淡水收割機。夜間，水凝膠膜可有效地捕獲霧滴，并定向輸送到儲物容器中。白天，它充當了一臺跨面太陽能蒸汽發生器，蒸發率高達3.64 kg m?2h?1通過改進熱/蒸汽流管理，在 1 個太陽光下啟用。在自制的屋頂取水系統中，這種水凝膠膜可產生淡水，在戶外測試中日產量約34升m?2，這顯示了其在全球緩解缺水的潛力。這項研究工作以“All-day fresh water harvesting by microstructured hydrogel membranes”為題發表在期刊《Nature Communications》上。
鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23174-0
圖1. 雙功能凝膠膜和全天集水模型的設計
圖2. 微結構聚乙烯醇/PPy凝膠膜的制備及結構表征
圖3微樹狀結構聚乙烯醇/PPy凝膠膜的集霧性能
圖4微結構聚乙烯醇/PPy凝膠膜的太陽能蒸汽產生特性
圖5 聚乙烯醇/PPy凝膠室外全天集水
三、結論與展望
綜上所述，作者設計并制造了一個PVA/PPy水凝膠膜，內填充三維（3D）樹形表面微結構。選擇的水凝膠膜源于它作為有效的跨面太陽能蒸汽發生器進行凈水的能力。再加上水凝膠的優良易處理性和與先進制造技術的兼容性，這些粘性材料很容易被塑造成微觀結構，可以模仿相關長度尺度上的生物系統，以方便霧氣收集。當放置在受控霧生成條件下時，這種PVA/PPy凝膠膜以 5.0 g cm?2h?1的速度高效捕獲霧滴并在提供定向控制的同時驅動液滴傳輸。
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水凝膠膜的最新內容
【主圖導讀】
【梯度聚電解質水凝膠膜的制備與表征】
圖 1. 梯度全多糖聚電解質水凝膠膜滲透發電機示意圖。(a)多糖聚電解質的材料資源和分子結構、所得水凝膠膜的梯度結構和滲透能收集過程的示意圖。(b 和 c) 梯度 CS/SA 水凝膠膜的橫截面 SEM 圖像 (b) 和 CLSM 圖像 (c)。
【離子跨膜傳輸特性】
圖 2. 跨膜離子傳輸特性。
針對上述缺點，在江雷院士指導下，青島大學隋坤艷教授團隊以殼聚糖和海藻酸鈉等多種可再生降解天然多糖聚電解質為原料設計出具有連續梯度的非對稱水凝膠膜。梯度分布的負電荷不僅可以避免傳統非對稱膜的分層風險，而且繼承了非對稱膜的離子二極管效應。此外該梯度薄膜還具有良好的陽離子選擇性和超高的離子電導率。因此，當混合海水與河水時，該膜基發電系統的功率密度高達7.87 W/m2，優于已報道的膜基滲透能轉換系統。
加州理工學院Ye Shi等人開發了一種水凝膠膜，它包含具有高表面積的分層三維微觀結構，兼并了兩種功能，并充當全天淡水收割機。夜間，水凝膠膜可有效地捕獲霧滴，并定向輸送到儲物容器中。白天，它充當了一臺跨面太陽能蒸汽發生器，蒸發率高達3.64 kg m?2h?1通過改進熱/蒸汽流管理，在 1 個太陽光下啟用。
Greer
團隊
開發了一種水凝膠膜，該膜包含具有高表面積的分層三維微觀結構，兼具了兩種功能并可以用作全天的淡水收集器。
在晚上，水凝膠膜可有效捕獲霧滴并將其定向輸送到存儲容器中。在白天，它充當界面太陽蒸汽發生器，通過改善的熱/蒸汽流管理，在1個太陽下可實現3.64 kg m-2 h-1的高蒸發率。
此外，由于蒸發發生在滲透側，蒸汽的傳質阻力大大減小，電荷梯度水凝膠膜的水通量相比商業的聚四氟乙烯（PTFE）膜可提高60%-110%。基于以上優勢，該電荷梯度水凝膠膜能夠對含有廣譜污染物（500 mg L-1）的高鹽廢水（130 g L-1）進行長達200 h的長時間穩定脫鹽處理。該技術為高鹽廢水脫鹽的直接零液體排放開辟了一條有嶄新的道路。
圖1.
（a）描繪了TFSS傳感器的三明治結構的示意圖，其中水凝膠膜被兩層PDMS膜包裹。（b）示意圖說明通過鹽滲濾將LiBr引入水凝膠以提高穩定性。（c）TFSS傳感器的光學圖像以30％的應變拉伸并放置在智能手機上。屏幕上清晰可見熊的數字圖片。（d，e）顯示TFSS的橫截面輪廓的光學圖像。中間水凝膠層的厚度為12.15μm。（f）TFSS傳感器和塊狀水凝膠的透光率。
