《AFM》：海水淡化和雾收集，双管齐下的高性能淡水收集系统

水是生命所需的基本资源，没有水，特别是淡水，生命将不复存在。然而，淡水短缺在世界几乎每个角落都经常发生。根据最近的研究，每年有18亿至29亿人遭受严重缺水至少4-6个月的困扰，其中5亿人全年承受着水资源压力。此外，据估计，到2050年，全球用水需求将增长19%。现在是时候开发多样化和高性能的产水技术，特别是那些用于离网地区的分散式方法，以满足这种不断增长的需求。海洋表面每日淡水产量的最大化需要全天的集水技术和材料。这可以通过利用自然阳光和潮湿空气来实现，它们可以分别驱动白天的太阳能淡化和夜间的雾气收集。

为此，来自重庆大学和新加坡国立大学的学者制备了两种类型的分层多孔微针阵列结构，它们分别展示了高效的雾捕获和光热蒸发的优越性能。具有 Janus 润湿性的凝胶锻造微针阵列是在多孔平台上通过简单且可控的自上而下微成型工艺制造的，并且通过额外的冷冻干燥处理可以进一步轻松实现微针内的孔隙率。本文开发的微针结构显示出高达 30.5 kg m-2 h-1 的超高雾收集率，可在夜间从水分中收集高通量水滴。在白天，由于多孔微针阵列的蒸发面积增加和光热转换增强，实现了 2.46 kg m-2 h-1 的太阳蒸发速率。通过结合这两条集水路线，理想情况下，每日循环可以提供接近 200 kg m-2 的总产水量，这将为维持未来低成本和分散式清洁水生产提供有前景的解决方案。相关文章以“High-Performance Freshwater Harvesting System by Coupling Solar Desalination and Fog Collection with Hierarchical Porous Microneedle Arrays”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202113264

图 1. 用微针阵列装饰的多孔膜的制造。a）制造过程的示意图。b) 微针阴模的光学图像。c) 光掩模的光学图像。d) 带有微针阵列的多孔膜的光学显微镜图像。e) 带有微针阵列的多孔膜的横截面光学图像。f-i) 带有微针阵列的多孔膜的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。

图 2.微针阵列多孔膜的参数管理。a） 通过真空沉积时间控制微针的高度。b）通过使用不同的口罩调整微针间距。c） 亲水、疏水、Janus膜作为多孔基材，构建具有不同润湿性的微针装饰多孔膜。

图 3.观察雾气收集过程并分析液滴运输机理。a）MN-HB / HL和b）MN-HL / HB的单个微针的整个雾收集过程。具有用于雾收集的不同微针阵列。c)16×16，d)8×8的集雾效率与微针特性和膜基材的润湿性。e）膜基质的润湿性（间距为1200μm，高度为600μm）。

图 4.MN-PSCx的水蒸发表征和光热性能测试 a）MN-PSCx蒸发器制备过程的示意图.b）MN-PSC1%蒸发器的光学图像。c） MN-PSC1%的扫描电镜图像。d） MN-PSCx水凝胶随时间推移的吸水率。e） 原料和PEGDA/SA/CNT水凝胶的FTIR光谱。f） MN-PSCx的紫外-可见-近红外光谱，灰色阴影区域显示气团1.5全局（AM 1.5G）倾斜太阳光谱的归一化光谱太阳辐照度密度。g） MN-PSCx蒸发器的表面温度，以及MN-PSCx样品在太阳照射下的时间和红外图像。h） 纯水中水分子和MN-PSCx蒸发器水可水分子网络示意图。i） 纯水和PEGDA / SA / CNT水凝胶中的DSC曲线。

图 5.太阳能驱动的水蒸气蒸发实验，包括室内模拟和室外测试。a） 用于模拟封闭系统中太阳能驱动海水蒸发过程的MN-PSCx蒸发器的示意图。b） 一次太阳照射下金字塔形蒸发装置的光学图像。产生的太阳蒸气凝结在蒸发器的内壁上，并在底部收集。c） 金字塔形蒸发装置外表面的红外图像。d） 在开放系统中，MN-PSCx在一次太阳辐射下超过1小时的水质量变化。e） MN-PSC1%长时间浸泡在盐水中的水蒸发率。f） MN-PSC1%水凝胶的自脱盐性能。g） 使用MN-PSC1%海水淡化前后的三种人工海水样品的盐度。h） 中国渤海海水蒸发前后四大离子浓度的变化。i）大型MN-PSC1%蒸发器，基于塑料瓶的水接收器以及上午7：00至下午7：00的净化水的实际体积的照片。k）用纯净水和盐水处理的大豆发芽比较。

本文设计并演示了用于全天淡水收获的混合和集成微针多孔膜（MN-HB/HL 和 MN-PSCx）。具体而言，具有微针阵列的混合多孔Janus膜结合微针的拉普拉斯压力和Janus膜的润湿力实现了高效的雾捕获、液滴的定向运输和快速吸收。与传统的网眼和织物材料相比，MN-HB/HL可实现高达≈30.5 kg m−2 h−1的雾气收集。另一方面，MN-PSCx聚合物网络中的亲水基团降低了MN-PSCx中水蒸发的焓，多孔微针阵列结构给出的相对较高的表面积产生了≈2.46 kg m-2 h-1的蒸发速率，能效高达约91%。

通过将这两种技术结合成一个完整的昼夜循环，其中每个周期持续6小时，估计在理想条件下，可以实现接近200 kg m-2的日产水量。此外，MN-PSCx产生的纯净水是安全清洁的，正如种子发芽实验所证明的那样。因此，这项工作显示了基于水凝胶的微针阵列作为清洁水收集的整体和可持续平台的巨大潜力，从而大大提高了日产量。（文：SSC）

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