天科大戴林、司传领/东林陈文帅/军科院李辰宇《AM》正封面论文：可光热、快速大气水收集的生物基凝胶材料及装备

全球水资源短缺压力不断升级，约70%的国家和地区人均可再生淡水资源不足5万立方米。这一挑战在经济欠发达地区更为严峻。近年来，人们逐渐意识到在节约用水、保护水源、加强蓄水等方式以外，研发非常规水源的收集技术十分必要。地球大气中蕴藏着约1300万立方米的水，开发高效的大气水收集（AWH）技术有望改善水资源短缺问题。基于吸湿材料的AWH经济便捷，尤其是在极度干旱和经济欠发达地区表现出良好的推广前景。然而目前的吸湿材料及相关研究工作仍面临一些挑战，如大多材料具有较慢的吸湿/解吸动力学；材料吸湿后存在解体的风险，不利于长时间地循环使用；解吸过程中通常需要外部电源；水收集设备开发相对滞后，常见的交替吸湿/解吸过程会大幅度损失材料的集水效率。

为解决这一问题，天津滚球体育 大学戴林、司传领团队联合军事科学院军事医学研究院李辰宇、东北林业大学陈文帅创造性地开发了一种可光热、快速大气水收集的生物基凝胶。在干旱环境下（15%~30% RH），大气水捕获速率和解吸速率分别可达1.41~1.74 kg kg^-1h^-1和1.98 kg kg^-1h^-1。此外，提出了连续水收集策略并设计了一种多仓、滚筒式大气水收集装备，通过优化设备运转参数，水收集速率可达8.96 kg kg_gel^-1day^-1和18.87 kg kg_device^-1day^-1，因此在应急救援和军事行动等实际应用场景下，尤其在极端环境和基础设施相对落后的地区表现出很好的实用性。该研究以题为“Solar-driven Drum-type Atmospheric Water Harvester Based on Bio-based Gels with Fast Adsorption/Desorption Kinetics”的论文发表在最新一期的《Advanced Materials》上，并被选为正封面文章（Front Cover）。

图1. 世界经济/淡水概况和CAL gel及滚筒式大气水收集器

【多组分复合、表面交联CAL凝胶】

这项研究工作中CAL凝胶由海藻酸钠（SA）、羟丙基纤维素（HPC）、去甲基碱木素（DAL）和氯化锂（LiCl）组成，分别起到水分传输储存、温度敏感、光热转化和吸湿的作用。SA具有良好的亲水性和生物相容性，作为基材实现水分传输与储存。HPC具有温度响应性，用于调节聚合物网络的与水分子之间的相互作用。木质素具有一定的光热转化能力，通过去甲基化可提高其亲水性并进一步提升材料光热转化温度。本研究通过引入LiCl并制备低程度物理交联的薄层（200 μm）结构以实现材料的快速吸湿与解吸。为赋予材料吸湿后的形态保持能力，本研究提出CaCl₂表面喷涂法，这种低程度的表面交联在维持材料吸水后的结构完整性的同时，几乎不损失材料吸湿性能，从而使材料具有很好的实际循环使用性能。

图2. CAL gel的制备与表征

【CAL凝胶的快速吸湿/解吸】

作者对CAL凝胶的大气水收集效果进行了检测分析。结果表明，在15%、20%和30%相对湿度下，材料吸湿量为0.51、0.63和0.79 g g^-1，相应的吸湿速率分别为0.62 kg kg^-1h^-1、0.872 kg kg^-1h^-1、1.74 kg kg^-1h^-1，解吸速率为1.98 kg kg^-1h^-1。该研究利用木质素的光热转化能力驱动凝胶解吸过程，通过去甲基化可进一步提升材料光热转化温度。在1个标准太阳下，DAL温度可达67.8°C（碱木质素49.3°C），CAL凝胶具表现出良好、稳定的吸湿/解吸效率。

图3. CAL凝胶的吸湿解吸性能

图4. CAL gel的光热转化能力及吸湿/解吸循环稳定性

图5. 滚筒式水收集装备的设计及应用

【大气水收集装备的设计与应用】

这项研究设计并构建了一种多仓、滚筒式大气水收集装备。该装备有六个仓室，在下部吸附仓的CAL凝胶与大气接触，风扇将空气引入仓内以加速吸湿过程。吸湿后的CAL凝胶可随仓式旋转180°，进入上部封闭的解吸仓。经太阳照射，材料表面温度升高，水分蒸发并汇集实现大气水收集。研究采用Fluent模拟进一步验证收集器设计的合理性。该研究通过微分方程数学建模，结合材料吸湿/解吸实验数据，获得最佳的旋转（吸湿/解析切换）频率。该模型可根据不同环境、不同材料的吸湿/解吸动力学，优化装备旋转参数，从而高效地利用材料及装备实现大气水收集。最后，作者在实际室外环境下测试了优化后的大气水收集效果。首先，夜间旋转一次使所有CAL凝胶达到吸附平衡，日出后使用交替吸湿和解吸策略，大气水收集量达到8.96 kg kg_gel^-1day^-1和18.87 kg kg_device^-1day^-1，且收集的大气水符合世界卫生组织的饮用水水质标准。

图6. 水收集器的优化策略及实际应用。

总结：作者采用多组分复合、表面交联等方法制备了一种吸湿凝胶，该凝胶具有良好的光热性能及快速吸湿/解吸性能，在吸湿后仍具有良好的形态保持能力。此外，设计制备的多仓、滚筒式装备可最大程度上发挥CAL凝胶的集水能力，并有望实现大规模、连续化制大气水收集，尤其在极端环境和基础设施相对落后的地区表现出很好的实用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202403876