發布時間：2024-12-06 13:51:53 人氣：0次
由於氣候退化、環境汙染和管理（lǐ）不善，淡（dàn）水資源的稀缺已成（chéng）為二十一世紀的一個嚴（yán）重挑戰。收（shōu）集由不（bú）同帶電液滴組成的霧水，是應對淡（dàn）水危機的潛在方法之一。引入電荷（hé）來（lái）增加材料表麵電位（wèi），利用帶電表麵（miàn）和液滴之間的靜電吸引力，可以有效提高捕獲效率（lǜ），從（cóng）而實現（xiàn）高效（xiào）收集霧水，包括靜電（diàn）紡絲和（hé）摩擦發電（diàn）等技術。然而，通過引入電荷來（lái）增強靜電吸（xī）引力（lì）的策略麵臨持久性的問題。
東華大學蔡再生教授團隊采用濕法紡絲工藝，通過分（fèn）子本征極性調控和潤濕性梯度（dù）設計，成（chéng）功製備了（le）具有持久高表麵電位的Janus-PAN纖（xiān）維。由該纖維製成的豎琴收集器可實現1775 mg/(cm2·h)的集水效率，是傳統低表麵電位、無潤濕（shī）梯度纖維收集（jí）器的2.6倍。該研究為新（xīn）一代霧收（shōu）集纖維材料的結構設計和可（kě）控製備提供了新思路。
水滴自發帶電而產生引力和聚結，是霧（wù）形成的重要原因。這種帶電現象主要由圖1a中3個因素引起。(1)嵌入電荷：重力和氣（qì）流促進碰撞，使帶電粒子（zǐ）融入水（shuǐ）滴中；(2)電離電荷：水分子在蒸發和凝結過程中解離，產生質子和氫氧（yǎng）離子；(3)極化電荷：水分子（zǐ）的極性造成內（nèi）部電荷不平衡。
通常分子極性越（yuè）大，其表麵電位越高，越有利於水（shuǐ）分（fèn）子的吸附。在聚合物中聚（jù）丙烯腈（PAN）重（chóng）複單元的（de）偶極矩較大（3.6 D），分子極性較強，是製備（bèi）高表麵電（diàn）位纖（xiān）維的（de）理想材料。由（yóu）於氰（qíng）基的電負性較大，且在製備過程中引起表麵極化（huà），PAN纖維表麵呈現較高的負（fù）電位，從（cóng）而與水分子產（chǎn）生強大（dà）的靜電相互作用，有助於提高（gāo）霧的捕獲效（xiào）率（圖1b-e）。
圖1. 表（biǎo）麵電位驅動霧水收集纖維的提出及設計原理：帶電液滴的形成；正負電荷液滴的數量對比；不同聚（jù）合物的表麵靜電勢及偶極矩；高表麵電位纖維的霧水（shuǐ）收集示意圖
如圖2a所示，采用濕法紡絲工藝製（zhì）備PAN纖維（wéi）。隨著凝固浴堿性增強，PAN分（fèn）子發生部分水解，導致原來的氰基轉化為羧基。此外，通過鹽酸羥胺（àn）處理在中性凝固浴中製備的PAN纖維可獲得表麵（miàn）帶正電位的（de）纖維，從而有（yǒu）助於研究正負電位對霧水收集的影響。改性PAN分子的表麵靜電勢（shì）極（jí）值點（diǎn）與原始PAN分子的表麵靜電勢極值點略有（yǒu）偏差。采用原位分子（zǐ）改性提高纖維表麵電位的絕對（duì）值或改變其極性，可確保纖維電位（wèi）不受環境濕度波動的影響（xiǎng）。PAN-纖維比PAN+纖維具有更大的柔性，使（shǐ）其適合纏繞（rào）、打結和其他應用。（圖2b-f）
圖2. 製備穩（wěn）定和高表麵電位的纖維：PAN-和PAN+製（zhì）備示意圖（tú）及相關表（biǎo）征；纖（xiān）維部分機械性能測試及實物照片
圖3（a-f）所示，采用XRD、FTIR、XPS等（děng）測試手段（duàn）進一步驗證了紡絲過程中PAN分子產生的變化。與PAN膜相（xiàng）比，通過濕（shī）紡（fǎng）製備的PAN纖維顯示出更多和更強烈的晶相峰，反映出它們（men）更高的品相含量和更完整的品相形態。在熱重分析儀(TGA)測試中，PAN+纖維表現出最（zuì）低的初始熱分解溫度和最高的總質量損失，PAN-纖維緊隨其後（hòu），然後是PAN膜。與PAN+纖維相比，PAN-纖維（wéi）具有優越的熱穩定性。隨著凝固（gù）浴的pH從3變為13，PAN纖維的表麵電位逐漸升高。在鹽酸羥胺（àn）與腈基的反應中（zhōng），PAN中腈基反應5 h後的轉化率（CR）達到約（yuē）78%，同時PAN纖（xiān）維的表麵電位達到+41 mV（圖3i）。
圖3. 穩定高表麵電位纖維的表征：XRD; TGA; XPS等
高效收集霧水主要取決於有效捕（bǔ）獲霧滴和快速傳輸定向水。當（dāng）基質表麵呈現高電位時，會（huì）對具有相反電位的（de）霧滴產生強大的靜電吸（xī）引力，從而促進霧滴的捕獲（圖4a-c）。在收集霧水的測試中，表麵電位越高（gāo），水（shuǐ）滴在纖維表麵的聚集速度越快（圖4d）；過高的表麵電位可能會阻礙（ài）水滴的脫落，從而導致收集效率下降。垂直放置纖維的水收集效率（WCR）大約是水平（píng）放置纖維的1.5倍（圖4f-g），而（ér）且收集第一（yī）個水滴所需的時間大約是水平放置纖維的三分之一。纖維直徑對霧收集效率（lǜ）的影響在400-1000m的範圍內，WCR與纖維直徑成比例增加。對於帶正電的PAN纖（xiān）維，隨著改性時間的（de）增加，表麵電位逐漸上升，水收集效率（WCR）逐漸增加到751mg/(cm·h)（圖4h-i）。
圖4. 穩（wěn）定高表（biǎo）麵電位纖維霧水收（shōu）集工作機製及測試結果
通過建立有利於自驅動定（dìng）向（xiàng）水傳輸的潤濕性梯度，還增（zēng）加了纖維表麵（miàn）的電位，這種表（biǎo）麵具有潤濕性梯（tī）度（dù）的纖維（Janus-PAN）能有效地將捕獲的水及時定向傳輸（shū）到收集器，以重新暴露（lù）捕獲（huò）位點。由Janus-PAN纖維（wéi）製（zhì）備的豎琴收集器的WCR達到（dào）1775 mg/(cm2·h)，分別（bié）是PAN、HB-PAN和Janus-PAN網格收集器的2.4、1.5和1.7倍。此外（wài），Janus-PAN豎琴收集器的穩定性優異，如圖5所示。
圖5. Janus-PAN豎琴收集器的設計、性能（néng）測試及對比
在戶外測試中，Janus-PAN豎（shù）琴收集器也（yě）表現出良好的集水能力，收集的（de）水可用於農業灌溉（gài）和水產養殖。與其他材料相（xiàng）比，Janus-PAN豎琴具有良好的使用性能和（hé）較低的生產成本（圖6）。
圖6. Janus-PAN豎琴（qín）收集器（qì）的應用（yòng）
綜上，該工作開發了一種分子限製誘導（dǎo）電位控製技術，使得材（cái）料表麵勢能在長時間內保持（chí）穩定，不受濕度影響。利用該（gāi）技術製備的Janus-PAN纖維可同時實現霧水高效捕獲和水分定向快（kuài）速傳輸。但是，過高的（de）表麵電位可能會阻礙水滴的脫落，從而導致收集效率下降。此外，驗（yàn）證了Janus-PAN豎琴收集器在農作物灌溉中的廣（guǎng）泛適用性。這種新穎的霧水收集策略為非對稱潤濕性界麵的流體（tǐ）管理提供了新的啟示。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00474-w
