安全充足的淡水资源对维持人类生存至关重要。气候变化、水污染、水资源分布不均等问题导致许多地区水资源短缺，极大影响了人类正常生活。海水淡化和污水提纯成为解决这一难题的可行技术。太阳能净水技术利用的光热蒸发获得高纯度淡水资源，具有无污染、安全可靠、适应性强等优势，已被广泛应用于海水淡化等领域。然而，光热转换材料疏水性及水分子之间高密度氢键作用，限制了膜蒸发器利用太阳能产水的效率，导致产水速率低。

　　针对上述问题，北京工业大学安全福教授团队设计了一种含有活化水存储层的双层水凝胶膜蒸发器用于高效海水淡化及污水提纯。利用上层光热转换功能水凝胶膜（提高亲水性及光热转换效率）及下层活化水存储水凝胶膜（降低水蒸发焓）协同作用，促进水分子在膜内传质。通过pH调控水凝胶膜的氢键作用进一步调节水凝胶孔径大小与水的蒸发焓，实现了水蒸发速率和能量转化效率分别达到2.79 kg m−2h−1和88.1%。相关论文以pH-tailored activated water reservoir for rapid solar water purification via dual-layer hydrogel architecture为题发表在Chemical Engineering Journal。该文章第一作者为杨雪彤硕士，通讯作者为林欢讲师。

　　论文中作者通过光学交联耦合原位聚合技术构建具有双层水凝胶膜蒸发器。上层为聚吡咯(PPy)掺杂的聚丙烯酸(PAA)和聚丙烯酰胺(PAM)双网络水凝胶膜，保证了高效光热转化及高亲水性；下层为聚丙烯酸(PAA)和聚丙烯酰胺(PAM)双网络水凝胶膜，促进了水的活化与传质。PAA-AM水凝胶的pH响应特性使其在聚合物链和水分子之间的相互作用上具有独特的可调性，将水凝胶蒸发器浸入不同的pH溶液中处理，水凝胶膜孔径随着pH值的增加而变大，且中间水含量随着溶液pH从1增加到9逐渐上升，强化了水的传质，提高了其产水速率。

　　图1.双层/PAA-AM水凝胶膜通过构建活化水存储层用于快速太阳能水蒸发。

　　测试表征结果证明双层/PAA-AM水凝胶膜蒸发器水蒸发速率远高于单层 水凝胶膜蒸发器水蒸发速率。pH=9处理过的水凝胶蒸发器水蒸发速率较单层 水凝胶膜蒸发器水蒸发速率提高了62%，并有着优异的海水淡化及污水处理性能。因此，通过构建具有活化水存储层的双层水凝胶蒸发器为实现高太阳能蒸汽蒸发率提供了一条简单而有效的途径，为解决当前的缺水危机提供了简单、绿色、高效的手段。

　　图4. (a) PAA-AM和水凝胶的UV-vis-NIR光谱；(b)同一光照下PAA-AM和水凝胶表面的动态温度变化；(c)同一太阳下纯水、底层PAA-AM水凝胶、顶层水凝胶和双层/PAA-AM水凝胶的水分蒸发速率。

　　图5. (a)单层水凝胶经不同pH溶液处理后的水质量随时间的变化；(b)单太阳照射下pH处理双层水凝胶的蒸发速率和相应的能量效率；(c)不同照射强度下，pH = 9溶液处理双层水凝胶的水质量随时间变化；(d) 9:00 ~ 17:00自然日光照射下，pH = 9溶液处理双层水凝胶的日照强度和累计蒸发量。

　　图6. (a)纯水、3.5 wt% NaCl水溶液、10 wt% NaCl水溶液和海水(黄海)太阳能蒸发双层水凝胶蒸发器质量变化曲线。(b)采用双层水凝胶蒸发器进行太阳蒸发前后不同盐浓度咸水的电导率。(c)双层水凝胶蒸发器在实际海水样品太阳能蒸发中的循环试验性能。(d)原始海水和太阳蒸发后收集的水蒸气中金属离子的浓度。含亚甲蓝和酸性品红的废水样品在太阳能净化前后的紫外-可见吸收(e)和数字图像(f)。

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