海藻启发的超亲水太阳能蒸汽发生器

工程20（2023）153研究生物化学工程-文章完全超亲水，自浮，耐多种污染的太阳能蒸汽发生器灵感来自海藻文驰宇a，#，郭洪双a，#，朱英楠a，白浩宇b，c，赵伟强a，王新生b，c，杨晶a，曹墨源b，c，张磊a，张磊a天津大学化学工程与工艺学院生物化学工程系合成生物学前沿科学中心&b南开大学材料科学与工程学院海河可持续化学转化实验室天津300071c天津大学化学工程与工艺学院化学工程国家重点实验室，天津300072阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年1月5日收到2021年5月11日修订2021年6月15日接受2022年4月12日在线提供关键词：超亲水装置生物吸气独立漂浮性耐多污染太阳能蒸发A B S T R A C T高亲水性材料能够在太阳能驱动的海水淡化中实现快速的水输送和盐的再溶解。然而，缺乏独立的漂浮性抑制了空气/水界面处的热定位。在自然界中，具有内部气体微泡的海藻可以漂浮在海面附近，以确保光合作用。在这里，我们已经开发了一个海藻启发，独立浮动，但超亲水性（SIFS）太阳能蒸发器。它不需要额外的浮选支撑，可以同时实现连续抽水和集中热量。蒸发器可防止盐积累、油污染、微生物腐蚀和蛋白质吸附。密集填充的中空玻璃微珠促进了固有的漂浮性和隔热性。超亲水性两性离子磺基甜菜碱水凝胶提供连续供水，重新溶解沉积的盐，并赋予SIFS蒸发器优异的防污性能。凭借其前所未有的抗污染能力，这种SIFS蒸发器有望为设计可漂浮的超亲水材料和解决复杂环境条件下太阳能蒸汽发生的©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍随着全球人口的增长、工业制造业的蓬勃发展和水污染的加剧，能源危机和淡水短缺已成为世界范围内最紧迫的两个问题[1太阳能是一种取之不尽、用之不竭的环保资源，而海洋又提供了丰富的水源。因此，集中太阳辐射将海水蒸馏成淡水是满足人类不断增长的需求的可持续方法[8与大量水加热相比，界面加热使蒸发发生的入射能量局部化并限制热损失，从而提高光热转换效率[12，13]。因此，界面太阳能脱盐已被提出作为一种优越的*通讯作者。电子邮件地址：moyuan. tju.edu.cn（M.Cao），lei_zhang@tju.edu.cn（L.张）。#这些作者对这项工作做出了同样的在不大量使用设备和消耗能源的情况下进行长期淡水生产的备选方案[14高效太阳能-蒸汽转换的重大突破是基于新型光热材料，如碳纳米管、氧化石墨烯、聚吡咯和生物质，以及创新的结构设计[17然而，由于海洋是一个复杂的系统，界面太阳能蒸发器的长期稳定性和鲁棒性在实际应用中仍然受到以下问题的限制[27-③海洋中生活着众多的微生物，微生物附着的发生和发展可能导致蒸发器的后续堵塞和腐蚀[33];极端天气条件下，如风暴事件，可能产生狂风和巨浪，导致蒸发器的鞭挞和撕裂;太阳光通量的增加将能量输入蒸发器，导致光热材料表面温度升高[34]。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.0292095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engC.温氏H. Guo，Y. Zhu等人工程20（2023）153154··×··×·×·鉴于这些挑战，在过去几十年中已经做出努力来开发、开发和优化太阳能界面脱盐系统[35在以前的研究中，设计疏水表面或利用额外的支撑结构已被广泛用于在空气/水界面处支撑脱盐系统[40然而，这些疏水表面和支撑件可能会增加蒸发器污染和微塑料排放的风险，可能会降低蒸发器的寿命并损害环境[44]。在空气/水界面处局部化太阳能热生成是实现高光热转换效率和蒸发率的关键[45，46]。然而，超亲水性和自漂浮性是矛盾的性质。通常，完全超亲水的装置不能独立地漂浮，因为它可能被完全润湿并达到类似于或甚至高于水的密度，从而下沉到底部。人类可以从大自然中学到在海洋中，海藻具有超亲水表面和肉质内部，但许多物种仍然能够漂浮在海面附近并进行光合作用以存活[47]。细胞中的气泡结构有助于这些海藻的低密度[48]。几个气泡聚集形成复合气泡，在不同物种中显示不同的形状和大小[49]。这种气泡结构使海藻具有重量轻和独立漂浮的特性。在这里，我们将这种类型的中空结构应用于两性离子水凝胶，以实现独立的漂浮和界面太阳能蒸汽生成[50]。在这项研究中，我们开发了一种海藻启发的可独立漂浮但超亲水（SIFS）的太阳能蒸汽发生器，具有宽带光吸收，隔热，独立和可拆卸的漂浮性，盐排斥，油排斥，抗生物污垢，高效的水分蒸发，和长期稳定性。低成本的炭黑（CB）分散在整个蒸发器中，以实现96.35%的宽带太阳能吸收。密集的中空玻璃微珠（HGB）使其漂浮在海面上，并进行界面蒸汽发生。采用两性离子磺基甜菜碱（CIBB）水凝胶作为粘合剂和分散涂层。超亲水性的CO2 B具有高度的润湿性，可提供连续的水泵送;因此，盐可以简单地溶解，而不是作为固体沉积在蒸发器上[51]。此外，COMB水凝胶结合大量水分子以形成水合层，保护蒸发器不与油和生物污垢直接接触[52，53]。与常用的聚苯乙烯泡沫塑料（PS-f）相比，SIFS蒸发器对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus)具有良好的抗菌活性。在一个太阳光照下，该浮子的光热转换效率为63.27%，蒸汽发生率为1.35kgm-2 h-1。该浮体在人工海水和废水中30天以上仍能保持结构完整和表面清洁，性能稳定耐用。这款以海藻为灵感的蒸发器为复杂环境中的淡水生产提供了简便实用的途径，为太阳能驱动的海水甚至废水蒸馏铺平了道路。2. 实验部分2.1. 材料两 性 离 子 磺 基 甜 菜 碱 （ 95% ） 、 N ， N0- 亚 甲 基 双 丙 烯 酰 胺（MBAA，99%）和过硫酸铵（APS，99%）购自Sigma（USA）. CB获自Degussa（德国）。2-羟基-2-甲基苯丙酮（HMPF，98%）从Adamas（中国）获得 平均直径为100μm的中空玻璃微珠购自MinnesotaMining and Manufacturing Corporation（USA）。将粗油状物由中国海洋石油总公司主办。本工作中使用的所有去离子水（DI）使用Millipore纯化系统（Millipore，Ltd.，美国）。2.2. SIFS太阳能蒸发器为了制造SIFS太阳能蒸发器，将NH3B（2.232 g，8 mmol）单体、MBAA（6.28 mg，0.04 mmol）交联剂和APS（4 mg，0.017mmol）热引发剂溶解于DI（2 mL）中。以制备预凝胶溶液。将适量的HGB加入到预凝胶溶液中，然后充分混合。在4 °C下静置30分钟后，收集漂浮的HGB（Ig），并与CB（40 mg）一起搅拌，并倒入聚四氟乙烯（PTFE）模具中，随后进行热交联。在37 °C下搅拌4小时以获得SIFS蒸发器。纯的HGB水凝胶和仅填充有HGB的HGB水凝胶（HGB/G）也被预包封作为对照。2.3. SIFS蒸发器将面积为1cm × 1cm和不同厚度（1，2，3，4，5 mm）的BSB/G和SIFS样品用于太阳能蒸汽发生试验。将样品漂浮在充满人工海水的透明比色皿中。一个带有气团的太阳模拟器1.5采用全球（AM 1.5G）滤光器和氙灯来提供密度为1 kW m-2（1个太阳）的太阳光。使用太阳能计（SM 206，Xinbao，中国）监测和调节光密度。每隔30分钟测量每个样品的水质量的变化。使用热红外相机收集红外图像。2.4. SIFS蒸发器的防垢性能通过对蛋白质、细菌和油（大豆）的粘附试验来评估SIFS蒸发器的粘附性能油和原油）和脱盐试验。对于蛋白质污染测试，选择异硫氰酸荧光素（FITC）标记的牛血清白蛋白（FITC-BSA）作为模型蛋白。FITC提供荧光显微镜捕获的荧光信号，从而可以通过荧光强度测量和标准化试验前，用0.9%NaCl溶液清洗所有试验样品然后将样品与FITC-BSA（0.5 mgmL-1）在黑暗中共孵育30 min。用0.9%NaCl轻轻洗涤三次后，使用倒置荧光显微镜（Ti-S，Nikon Eclipse，日本）观察荧光信号使用ImageJ软件将相对荧光强度相对于观察到的样品的面积归一化在细菌粘附试验中，E. coli和S.金黄色葡萄球菌分别接种并在Luria-Bertani（LB）培养基中培养过夜。将无菌样品与1 mL细菌稀释液一起孵育（1 × 10 7个细胞mL-1）在37 ℃下培养2小时，然后用0.9%NaCl温和洗涤以除去未充分粘附的细菌。然后，将样品浸泡在0.9%NaCl中，并施加间歇超声以无损伤地剥离紧密粘附的细菌。取出悬液，涂布LB琼脂培养基平板。过夜培养后，记录平板上的细菌菌落数以评价抗菌性能。此外，将供试样品与E.在浓度为1109个细胞mL-1。使用扫描电子显微镜（SEM，Merlin Compact，Zeiss，Germany）观察表面上的细菌附着和繁殖。C.温氏H. Guo，Y. Zhu等人工程20（2023）153155~·~·3 2····采用BROB/G进行防油试验，以获得更好的除油视觉感知。将测试样品完全浸入原油或红标大豆油中，然后用DI冲洗样品。收集光学图像用于防油性和自清洁。通过盐溶解、降解和吸收测试来评估SIFS蒸发器的盐截留率。使用具有3.6重量% NaCl水溶液的玻璃烧杯进行溶解实验。将SIFS水凝胶漂浮在具有手动施加的盐的烧杯中，并使用相机定期拍摄在测试过程中溶解的盐[37]。在盐降解测定中，将样品在60 °C下干燥48小时至质量为m1。然后，水凝胶在人工海水或去离子水中降解2 h，然后在去离子水中充分洗涤和溶胀至质量为m2。随后，在下一个循环之前，在60 °C下再次干燥样品[63]。对所有水凝胶进行五个循环。水凝胶的溶胀比R可在数学上表示为Eq. （1）：在SIFS和CIBB/G中分别检测到1000 μ g/ml的Si信号，而在CIBB中未检测到明显的Si信号。所有XPS光谱都相对于284.8eV处的C1s峰完全润湿的SIFS浮子的密度为0.72 g cm-3（干燥SIFS样品为0.42 g cm-3），可实现可靠的漂浮性（附录A中的图S4（a））。相比于纯的C12B水凝胶，SIFS浮子的刚性增加了约10%。3.56次，压缩模量为0.41 MPa（附录A中的图S5）。因此，具有低密度的轻质SIFS浮子甚至可以站立在岩石上，其高韧性使其能够支撑1 kg的重量而不会发生任何塌陷（图11和12）。附录A中S4（b）和（c））。这些优越的机械性能应保证在恶劣和复杂的环境中，三通浮子稳定类似于天然海藻，涂覆有BH3B水凝胶的SIFS漂浮物具有典型的超亲水性和水下超疏油性（图1A和1B）。1（b）和（d），图S6和附录A中的视频S1和S2）[57]。C4 H2 B材料具有强电荷基团-SO3-和-N（CH）+ -，以结合大量的水分子M2R¼m1000mm在盐吸收测定中，将测试样品在60°C下干燥48 h至质量为m3。然后将样品充分溶胀，3.6 wt%的NaCl溶液中搅拌24 h至质量为m4。将水凝胶在60 °C下干燥3天至恒重m5，其包括水凝胶和吸收的NaCl的重量。根据Eq.（2）[62]：通过离子溶剂化效应。这些水分子以动态平衡围绕着B2O3 B，并形成一个表现出超亲水性的水合层[58]。该水合壳还充当屏障以保护SIFS水凝胶免受各种污垢的影响（图1（e））。同时，HGB之间的间隙连接到SIFS浮子内部的通道中（图1（c）和附录A图S7），确保高效率和连续的水输送。进一步研究SIFS蒸发器的隔热性能，可以揭示其热管理能力，并为SIFS蒸发器的热管理提供最佳设计方案。u1m5-m3设计基于热盘法，2¼- 0：036m4-m3纯的BPB水凝胶为0.47W·m-1·K-1。掺杂HGB后，HGB中储存的空气（0.0 3W·m-1·K-1）作为热源工作此外，在实际应用中，通过30小时3.6重量% NaCl溶液脱盐测量应用。3. 结果和讨论3.1. SIFS蒸发器的设计与制造某些海藻漂浮在海面附近，以获得足够的太阳能进行光合作用和新陈代谢。亲水性海藻保持漂浮性的机制是许多气体微泡分布在其基础结构中以降低总密度。 受这些海藻的气囊结构的启发，我们选择HGB以实现超亲水性整料的独立漂浮性（图1和附录A图1）。S1）。一种CB水凝胶被应用于构建蒸发器的本体结构，并且表现出宽带太阳能吸收的CB纳米颗粒赋予水凝胶增强的光热效应。成功地制造了一种SIFS太阳能蒸发器，该蒸发器由一种SiO2 B水凝胶单块、基于HGB的气体囊泡和CB光吸收材料为了进行比较，还制备了纯的C13 B水凝胶和C13 B/G，并在以下实验中进行了测试通过傅里叶变换红外（FTIR; Alpha Ⅱ，Bruker，Germany）光谱和X射线光电子能谱（XPS;ESCALAB 250 Xi，Thermo Scientific，USA）评价了C13 B、C13 B/G和SIFS的化学性质在FTIR光谱（附录A中的图S2）中，1465和1074 cm-1处的峰可归因于与C13 B、C13 B/G和C13 B/G中的-N绝缘体，以赋予WPB/G和SIFS水凝胶更好的隔热性能[11]，对应于0.28 W m-1 K-1的显著降低的热导率，其远低于水的热导率（0.6 Wm-1 K-1）[59]。因此，由于较低的热导率导致隔热，SIFS浮子能够将热量定位在空气/水界面处，并减少大量水的能量损失[60]。3.2. 独立可拆浮性受益于HGB，轻质SIFS蒸发器能够稳定地漂浮在水面上以进行界面蒸汽产生，即使在20次挤压和释放循环之后也是如此（图11）。2（a），附录A中的视频S3）。更重要的是，SIFS蒸发器具有固有的漂浮性，即无论蒸发器如何损坏，它仍然自动漂浮在空气/水界面处（图2（b），附录A中的视频S4）。这表明SIFS蒸发器固有的独立漂浮性并不依赖于整个结构，而是其每个部分都可以漂浮在水面上并在太阳照射下产生蒸汽为了评估SIFS蒸发器的稳定性和耐用性，应用了各种处理。对SIFS片材进行一系列处理，每次1小时，分别包括煮沸、超声处理、酸处理和碱处理（图2（c））。在这些处理之后，SIFS蒸发器保持完整的结构，并且没有观察到泄漏或降解。这一结果表明，SIFS蒸发器具有优异的环境稳定性，这是实现长期耐用性的必要条件复杂的实际应用。3 2 3SIFS[54].在1094 cm-1处的信号是由于在806 cm-1处的峰可以归属于Si-O-Si的对称伸缩在XPS光谱中（附录A中的图S3），102、168和402eV（1 eV = 1.602176×10- 19 J）处的峰对应于Si、S和N。测量的SIFS水凝胶的水扩散率与WIBB和WIBB/G水凝胶的水扩散率一致（图1A和1B）。2（d）和（e））。将干燥样品完全浸入3.6wt%NaCl中以进行吸水测试，并记录样品的初始重量和质量随时间的变化。SIFS水凝胶的水（3）[61]：C.温氏H. Guo，Y. Zhu等人工程20（2023）153156×·Fig. 1. SIFS蒸发器的示意图和表面表征。(a)海藻启发的气泡，用于完全超亲水结构的可靠漂浮性。（b）超亲水性水凝胶和阳光吸收材料能够实现集体自浮、抗多种污染、宽带太阳能吸收和连续蒸汽产生。底部示出了CIBB单体的分子结构、CIBB、CIBB/G和SIFS水凝胶的光学图像（比例尺：1cm）。浮动SIFS蒸发器上的水膜与本体水相连，形成凸形的空气/水界面。（c）SIFS水凝胶的横截面，HGB被HGBB水凝胶紧密粘附（比例尺：100μ m）。（d）SIFS样品的超亲水性，水滴可以被干燥的SIFS水凝胶快速捕获，表明其高的水亲和力。（e）离子溶剂化效应诱导的水合层赋予SIFS蒸发器抗多种污染的能力，例如，抗生物污染性、拒盐性和拒油性图二. SIFS蒸发器的耐用和独立自浮。(a)循环压缩试验证明了SIFS蒸发器具有稳定、持久的自浮能力。（b）SIFS蒸发器具有独立的自浮性，因为其在被切割成碎片后仍然（c）SIFS蒸发器在复杂的环境中能保持机械和化学稳定性，如沸腾、超声、碱和酸处理各1小时（d）水凝胶样品在3.6重量% NaCl中的质量变化(e)水扩散系数。pl2dMt=M2附录A中的表S1和S2）。 此外，突出Dw¼161数据1=2位ð3Þ增强的水扩散表明内部SIFS表。此外，将一张干燥滤纸应用于其中Dw是水扩散率，l是SIFS水凝胶的厚度，Mt表示在时间t时吸收的水的重量，M1表示吸收的水的最终重量，并且d（Mt/M1）/d（Mtd（t1/2）是M t/M的线性部分的斜率的函数SIFS表面，以直观地展示水的运输（图。附录A中的S9和视频S5）。滤纸在其接触SIFS表面的瞬间被完全渗透，证实了SIFS的存在。由超亲水性的α-淀粉酶B诱导的水膜，以及由M/M区域的t1/21SIFS浮子内部的水输送。这些结果证明t10.60（60%饱和吸水率）[62]. 在786 s时，纯的C12B达到60%的饱和吸水率，对应于3.59的水扩散系数10-10米2秒-1虽然BSB/ G和SIFS样品在2008年达到相同阶段的速度要快得多，226和211 s，对应于1.250× 10- 9和1.339× 10- 9m2·s-1（图S8和含有HGB的水凝胶表现出明显更快的吸水率，而CB对此没有影响。结合图1（c）中SIFS样品的横截面形态，可以得出结论，密集堆积的HGB由于其球形表面而留下大量空隙和这些洞连接着C.温氏H. Guo，Y. Zhu等人工程20（2023）153157·······另一种用于构建多孔结构和网状微通道以用于水输送。因此，含HGB的HPB/G和SIFS水凝胶具有显著更高的水扩散率，分别是纯HPB水凝胶的3.48和3.72倍3.3. 太阳能海水淡化性能碳基基底如CB纳米颗粒和氧化石墨烯由于p带的光学跃迁而具有优异的太阳能吸收和光热转换特性[63]。的掺杂CB纳米粒子的SIFS蒸发器显示出宽带太阳能吸收率为96.35%，低反射率为1.83%（图3（a）和附录A图S10），相比之下，CORB（吸收率为50.13%，反射率为25.38%）和CORB/G（吸收率为78%，反射率为10.92%）。CB包埋在SIFS片的BLB中，由于BLB凝胶包封，无法观察到CB上的纳米结构（附录A中的图S11进行了一项受控实验，以计算蒸发器的实际等效焓（附录A中的图 S12 ） [64] 。 使 用 具 有 AM 1.5G 滤 光 器 和 氙 灯 的 太 阳 模 拟 器（SOLAR-500，NBeT，中国），采用厚度范围为1至5 mm的根据图图3（b）-（d）中，由于较好的散热，在较厚的漂浮物上可以观察到较高的水蒸发速率、表面温度和光热转换效率。在此期间，与之前的工作相比，SIFS浮式装置达到了稳定状态，在1个太阳强度（1 kW m-2）下，最大蒸汽发生率为1.35 kg m-2h-1，转换效率为63.27%（附录A中的表S3）。在玉米地，纯水的蒸发速率仅为0.11kgm-2 h-1。在相同光密度下，对对照的BFB/G漂浮物，最大蒸发速率为0.50kgm-2 h-1，比SIFS样品的最大蒸发速率低63%。转换效率（g）可以根据等式（1）定义和计算（4）[65]：其中，m是水的蒸发速率，Cp是水的比热容，DT是蒸汽和环境之间的温差，DHvap表示根据附录A第S1.2节Copt是光学浓度，I是1个太阳的太阳辐射强度。SIFS的水蒸发焓低于本体水，这可能是由于SIFS的水蒸发焓低于本体水，这是“水分子理论”的解释水可以被分解为单个分子或含有几个分子的团簇.当水从聚合物凝胶网络中蒸发时，它更有可能作为簇而不是单个分子逃逸。因此，SIFS中的水表现出比传统潜热更低的实际蒸发焓[68]。如附录A图S13所示，通过红外摄像机记录300 min辐照期间5 mmSIFS蒸发器的表面温度。温度在5分钟内从19.4 °C升高到28.1 °C，并且在300分钟照射后最终达到51.6 °C。COMSOL Multiphysics软件（COMSOL，瑞典）用于模拟漂浮在空气/水界面处的SIFS蒸发器周围的传热和温度分布（图3（e））。浮子的顶部28%暴露于空气中，底部72%浸没在大量水中，对应于其密度。HGB和HGB B之间的温差在几毫秒内平衡;因此，与纯HGB B水凝胶相比，SIFS浮子表现出降低的均匀传热性能（更多详细信息见附录A图1）。 S14）。有效的净化能力和长期稳定性在海水淡化中的实际应用是非常需要的使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS，7700 x，Agilent，USA）评估脱盐之前和之后的水质。蒸发冷凝后，Na+、Mg2+、K+、Ca2+ 等4种主要离子的浓度急剧 下降， 明显低 于世界 卫生组 织（WHO）建议的浓度值（图1）。[69]。各种人工废水样品，包括mCp×DTDHvapCoptIð4Þ人工工业废水（AIW）、人工生活废水（ADW）、人工含油废水（AOW）、人工医疗废水、图3.第三章。SIFS 蒸发器的太阳能蒸发性能。（a）SIFS蒸发器的太阳吸收光谱，平均吸收率为96.35%。（b）在300分钟光照期间，在1个太阳下，具有不同厚度（1、2、3、4和5mm）的CIBB/G和SIFS样品的水蒸发速率和表面温度（c）太阳能转换效率对厚度。（d）水质量随时间的变化（e）COMSOL模拟的漂浮在空气/水界面处的5毫米SIFS蒸发器的温度分布和5毫米SIFS蒸发器在1个太阳下的红外图像（右下）。(f)通过SIFS蒸发器进行太阳能脱盐之前和之后的初级离子浓度g¼C.温氏H. Guo，Y. Zhu等人工程20（2023）153158×·×·cOW将模拟印染废水（AMW）和人工印染废水（APW）的混合物分别应用于SIFS蒸发器，模拟实际工况。 在30天的测试中，SIFS蒸发器保持了完整的结构，没有泄漏或退化（图1）。 附录A中的S15）。这些结果表明，SIFS蒸发器可以提供远高于WHO标准的纯化水，并在海水和废水中进行长期脱盐。3.4. 耐多污染太阳能蒸汽发生过程中的盐积累会严重影响蒸发器的性能和长期稳定性。实现脱盐的有用策略是蒸发器上沉积的盐的快速再溶解。同时，具有超亲水性的蒸发器具有排斥油和生物污垢的能力。两性离子材料的特征在于高偶极矩并且含有强带电基团;然而，它们总体上是电荷中性的[70]。由于离子基团的存在，两性材料可以通过离子溶剂化作用结合水分子，形成水化层，表现出超亲水性。高度亲水的表面可以完全润湿，以提供连续和稳定的供水，进一步将沉积的盐重新溶解回大海[71]。更重要的是，从热力学角度来看，这将消耗大量的能源，为各种污垢穿过水合层 最大吉布斯自由能通过蛋白质吸附和细菌黏附实验研究了SIFS蒸发器的抗生物污垢性能使用FITC-BSA进行蛋白吸附试验（附录A中的图S16）。结果表明，革兰氏阴性菌E. coli和革兰氏阳性S.金黄色葡萄球菌，用于抗菌评估。PS-f和三聚氰胺泡沫（M-f）用作对照。如图4（a）所示，在共孵育2 h后，PS-f和M-f均被E. coli和S.金黄色。PS-f是以往研究中最常用的隔热材料，其细菌密度为2.391104 个菌落形成单位（CFU）cm-2，E.大肠埃希菌和沙门氏菌的菌落数分别为3.896 × 10 4 CFU cm-2和3.896 × 10 4 CFU cm-2。金黄色。相比之下，基于两性离子的SIFS水凝胶显示出显著的细菌排斥性，分别对应于97.93%和97.00%的减少。E. coli和S.金黄色葡萄球菌粘附率分别为100%和100%。与大肠杆菌共培养样品的SEM图像。coli培养3 d后，PS-f上出现严重的细菌污染（图4（a）和附录A图4（a））。 S17）。形成鲜明对比的是，没有细菌菌落可见地粘附到SIFS表面。在接触角测试中使用SIFS水凝胶，并且用除油测试来评估SIFSB/G水凝胶以获得更好的视觉感知。选择原油和大豆油进行试验，如图4（b）和附录A图S18所示。当完全润湿时，水膜包围SIFS水凝胶。油滴在水下SIFS表面上的接触角OW可以用方程表示。（5）[73]：两性离子官能化表面的能量极高，因此不易发生结垢[72]。coshOW¼cOAcoshO-cWAcoshWð5Þ图四、SIFS 蒸发器的抗多重污染性。（a-i）SIFS水凝胶的细菌抗性的图示ZSB水凝胶的离子溶剂化效应诱导的水化层保护了SIFS蒸发器免受生物污垢的粘附。（a-ii）光学照片（比例尺：2厘米）。（a-iii）归一化的细菌粘附和SEM图像继E. coli和革 兰 氏 阳 性 菌 S. 不 同 样品上的金黄色葡萄球菌污染（比例尺：5 μ m）。（b-i）具有水下超疏油性的SIFS水凝胶的拒油性的示意图（b-ii）ZSB/G（不含CB的SIFS水凝胶）在原油污染后的自清洁性能ZSB/G用于更好的除油视觉感知（c-i）SIFS水凝胶上的盐去除的图示（c-ii）将手工施加到SIFS水凝胶上的盐逐渐溶解到3.6wt%的NaCl溶液中。（c-iii）SIFS水凝胶能够持续30小时将下面的水蒸发成蒸汽而不被阻塞。C.温氏H. Guo，Y. Zhu等人工程20（2023）153159×·其中cOA、cWA和cOW分别表示油/空气、水/空气和油/水界面的表面张力;O和W分别是表面的油接触角和水接触角。对于SIFS水凝胶，一种超亲水材料，cOAcoshO为一般低于cWAcoshW。因为cOA明显低于比cWA、coshO和coshW都大于0且小于1.因此，cos OW的值为负，表明SIFS水凝胶的水下疏油性，这与图1B一致。4（b）.因此，拒油性保证了SIFS自清洁。即使浸入原油中，也应该通过简单的冲洗恢复其先前的清洁状态（附录A中的视频S6通过盐再溶解、降解、吸收和长期蒸发测试来评估SIFS水凝胶的耐盐在再溶解试验中，将盐直接喷洒在漂浮的SIFS蒸发器上，并且由于由C3H2B分子诱导的水膜，盐立即被润湿并逐渐再溶解到本体水中（图13）。 4（c））。 在降解测试中，SIFS水凝胶被证明具有盐排斥特性，因为它可以通过五个循环保持稳定的溶胀比（图1B）。附 录 A 中 的 S19 ） 。 在 吸 收 试 验 中 ， SIFS 蒸 发 器 的 高 耐 盐 率（88.16%）主要是由于高尺寸稳定性和低溶胀率（附录A中的图S20并对其长期耐盐性进行了评价。将SIFS蒸馏器漂浮在3.6重量%NaCl溶液中以进行稳定的蒸汽产生。照射30小时后，SIFS蒸发器上没有盐沉积物沉积，而大量盐在烧杯底部结晶（图4（c））。这些结果表明，在盐溶液中，由于SIFS蒸发器避免了降解和结晶，因此在实际应用中能够进行高度稳定和持久的太阳能脱盐。因此，基于两性离子的完全超亲水SIFS蒸发器成功实现了多重污染抵抗，包括盐积累，油污染，微生物粘附和蛋白质吸附。3.5. 污水净化及室外实验在理想的太阳能界面蒸发系统中，期望通用的溶液处理能力，这使得能够实现高性能。在各种类型的废水中具有高效净化和长期耐用性。由于完全超亲水性材料具有突出的化学稳定性和抗多污染性，通过SIFS浮子可以实现复 杂 溶 液 中 的 水 分 蒸 发 。 人 工 废 水 样 品 用 于 纯 化 测 定 （ 图 5（a））。SIFS蒸发器（5厘米× 5厘米大小）漂浮在每种类型的废水。在300分钟照射后，记录水质量变化作为时间的函数，如图5（b）所示。APW和ADW中的SIFS具有与人工海水相似的蒸发性能，而AOW、AMW和AIW中的SIFS的蒸发速率略有降低，这可能归因于油的扩散和溶液粘度的增加。净化前后废水样品的吸收光谱见附录A图。 S21。原废水在检测范围内有较强的吸收，而净化后的废水光谱与DI的光谱相似，没有明显的吸收信号进行体外细胞增殖试验以评估各种水样品的细胞毒性，所述水样品包括AIBB、AIBB/G和SIFS水凝胶（L-AIBB、L-AIBB/G和L-SIFS）的浸出、用SIFS蒸发器纯化的蒸发水（ EW ）以及原始 AIW 、ADW 、AOW 、 AMW 和APW。带电阻的DI18.20M× cm-1的细胞作为对照。 如图如图5（c）所示，在废水处理的细胞中观察到细胞活力比DI处理的细胞显著降低。特别是， AIW 和 AOW 组分别显示出23.48% 和21.79%的细胞活力。废水是一个复杂的系统，可能含有有害成分，如重金属离子，这可能是有毒的，因为它们会损害神经，肝脏，骨骼和其他器官;重金属还可以抑制重要酶的功能[74]。同时，L-SIFSB、L-SIFS B/G、L-SIFS和EW的细胞活力结果表明，SIFS蒸发器无毒、安全，能在不破坏原水源的情况下，在各种条件下生产洁净水室外实验于12月在中国天津津南区天津大学进行（即，冬季）。晴天时太阳辐射通量为200-图五、SIFS蒸发器在自然光照下的废水净化和室外蒸发试验。在纯化试验中使用各种液体，即，DI，BELIB、BELIB/G和SIFS水凝胶的浸出液（分别为L-BELIB、L-BELIB/G和L-SIFS），用SIFS蒸发器脱盐后的EW，AIW、ADW、AOW、AMW和APW。（a）净化前各种人工废水样品的光学图像（比例尺：2cm）。（b）废水净化过程中水的质量随时间的变化（c）从细胞活力方面对净化废水样品进行细胞毒性评价（d）室外试验中使用的SIFS蒸发器的光学图像（比例尺：5cm）。（e）在自然光照下5分钟内发生蒸汽产生(f)室外实验过程中的太阳辐射通量、水量变化、室外地面温度、水体温度和SIFS蒸发器温度。C.温氏H. Guo，Y. Zhu等人工程20（2023）153160×~·~··在白天的20%到40%。一个大小为10厘米15 cm用于执行测试，如图所示。5（d）。太阳能通量被SIFS蒸发器吸收并转化为热能加热水，然后产生蒸汽。该盖提供了一个封闭的蒸发空间，并作为冷端冷凝蒸汽（商业防雾膜用于减少入射光损失）。在装置在阳光下展开后5分钟，可以在帽的壁上观察到水滴（图5（e））。收集的水的质量变化、SIFS蒸发器的温度、散装水和室外地面随时间的变化都记录在图5（f）中。SIFS表面的温度随着太阳光通量的增加而增加了14.3 °C（从16.9 ° C增加到31.2 °C），并由于日落而下降。最高温度低于室内测试（51.6 °C），这可能是由于冬季寒冷和强风。在此期间，整体水温比SIFS表面低5.5 -13.5 °C。蒸发7 h后，该装置收集了30 mL清水，收集率为2L·m-2，显示了其生产淡水的潜力。4. 结论总之，受海藻气泡结构的启发，我们通过一种简便的方法开发了一种完全超亲水但可独立漂浮的SIFS蒸发器集成了COFB、HGB和CB，以实现持久稳定的太阳能脱盐，用于长期实际应用。SIFS蒸发器中密集堆积的HGB能够实现低密度和隔热，即使在风暴事件期间完全润湿或撕成碎片，也能够进行界面蒸发选择具有宽带光吸收和光热转换的CB作为太阳能吸收剂，从而确保SIFS蒸发器只消耗取之不尽的太阳能和丰富的海水来生产淡水。BPB凝胶作为一种生物粘合剂起着不可或缺的作用更重要的是，由于水化层通过离子溶剂化效应诱导的B2O3，SIFS蒸发器表现出超亲水性和多污染的阻力。超亲水性SIFS蒸发器在漂浮在水面上时被完全润湿;随后，连续水泵送溶解盐沉积物并提供不间断的供水，赋予SIFS蒸发器稳定的蒸汽产生和盐截留。水化层还用作屏蔽层以抑制油和生物污垢粘附，保护SIFS蒸发器免受油污染和微生物腐蚀。由于宽带光吸收、隔热、独立漂浮、连续抽水、脱盐、拒油和生物污垢抑制的集合性质，光温转换率为63.27%，达到1.35kgm-2 h-1sion。SIFS蒸发器具有长期稳定性和鲁棒性，为利用取之不尽的太阳能来满足社会不断增长的淡水需求提供了可持续和生态友好的策略。致谢本工作得到了国家自然科学基金（21621004，21961132005，22078238，21908160，天津市自然科学基金（19 JCQNJC 05100和20 JCQNJC 00170），天津市青年精英科学家资助计划（TJSQNTJ-2018-17）和中国博士后科学基金（2019 M651041）。遵守道德准则Chiyu Wen 、Hongshuang Guo 、 Yingnan Zhu、 Haoyu Bai 、Weiqiang Zhao、Xinsheng Wang、Jing Yang、Moyuan Cao和LeiZhang声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。附录A.补充数据本文的补充数据可在https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.029上找到。引用[1] Elimelech M ， Phillip WA. 海 水 淡 化 的 未 来 ： 能 源 、 技 术 和 环 境 。Science2011;333（6043）：712-7.[2] GaoM，Zhu L，Peh CK，Ho GW. 太阳能吸收材料和系统设计，用于光热水汽化，以实现清洁水和能源生产。能源环境科学2019;12（3）：841-64。[3] 吴新，高涛，韩春，徐军，欧文斯G，徐H.一个光热水库，用于高效的太阳能蒸汽发电，无需大量的水。Sci Bull 2019;64（21）：1625-33.[4] Zhu L，Gao M，Peh CK，Ho GW.蒸发与催化应用之太阳能驱动光热奈米结构材料设计与先决条件。Mater Horiz 2018;5（3）：323-43。[5] Zhang Y，Ravi SK，Tan SC.用于太阳能脱盐和热电发电的食品衍生碳质材料。纳米能源2019;65：104006.[6] 王毅，吴翔，邵波，杨翔，欧文斯，徐华. 通过结构增强能源管理来促进太阳能蒸汽发电。Sci Bull2020;65（16）：1380-8.[7] Hu X ， Zhu J. 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