FCSE 前沿研究：木质素在生物质水凝胶高效脱盐中的作用研究

  在过去的几个世纪里，淡水短缺一直是人类面临的主要挑战之一，日益严重的干旱和全球范围的荒漠化使其更严重。水是生命、经济发展和社会进步必不可少的资源。虽然水资源覆盖了地球的75%，但只有不到3%的淡水能够很好的满足植物、动物和人类的生命活动。人类对淡水的需求随着现代社会的发展持续不断的增加，限时供水、废水循环利用、跨流域调水等多种方法被用于缓解淡水短缺。但受淡水短缺问题困扰的人数仍在增加，淡水短缺已成为全球性的挑战。在过去的几十年里，太阳能驱动的界面蒸发技术一直是学术研究和产业化努力最密集的领域之一，是缓解清洁水资源短缺的最有潜力和最可持续的途径之一。木质素作为第二大生物质资源，有着非常丰富的功能基团（羟基、羰基和甲氧基），便于进一步的化学修饰，可制成多种功能材料。目前研究人员对木质素在太阳能蒸发系统中的应用和展望还存在着一些差距，如制备工艺复杂，木质素添加量低等。为了开发高效、环保的光热蒸发器，利用生物质残渣，本文采用简易的溶胶-凝胶法制备了具有非常明显蒸发性能的羟乙基纤维素(HEC)/碱性木质素(AL)/氧化石墨烯(GO)水凝胶(CLGS)。研究了铝含量对蒸发器理化性能的影响。这种低成本的基于木质素的光热蒸发器为海水淡化提供了一种可持续的策略。

  以氧化石墨烯（GO）为光热剂，环氧氯丙烷（EHC）为交联剂，采用简单的溶胶-凝胶法合成了Al-HEC（反应机理如图1），在其他条件不变的情况下，制备了不同铝含量的CLGs；利用场发射扫描电镜，傅立叶变换红外光谱，接触角仪，Haake Mars III流变仪等手段对水凝胶的结构可以进行了表征；最后对制得的水凝胶进行了表观密度测量，膨胀比测量，蒸发性能实验，太阳蒸发效率的计算，等效蒸发焓的计算。得到了以下主要结论：

  （1）SEM表明，CLGS的内部孔隙呈片状和“蜂窝”结构，水凝胶表面有许多皱纹和骨架，随着木质素浓度的增加，反应物之间的氢键增强，CLGS的孔径减小，气凝胶内部的三维结构变得更紧密。傅里叶变换红外光谱表明，由于在反应中羟基作为交联位点的参与，CLG4的羟基吸收峰强度减弱。芳香族和脂肪族醚在1120和1057cm-1处有吸收峰，表明Al、HEC和GO的交联是成功的。此外，随着木质素浓度的增加，羟基吸收峰的强度下降，表明凝胶网络中交联位点的增加和交联密度的增加。

  由于木质素中含有疏水结构（如芳香结构）,水接触角大小与木质素含量呈正相关，但仍小于90°临界值。一滴水在4ms内可被完全吸收，说明CLGS具备比较好的亲水性，有利于光热蒸发过程中水分的迁移。LGS的吸光性能和导热性能测试表明，所有水凝胶在300-2500纳米波长范围内具有97%以上的高吸光率。有必要注意一下的是，CLG5(98.2%)的光吸收比CLG1(97.8%)高，说明木质素的加入能大大的提升材料的光热性能，论证了GO和Al在光热转化过程中的协同作用；CLGS的导热系数在0.04~0.05W•m-1•k-1之间，明显低于水(0.59W•m-1•k-1),说明木质素含量对材料的导热系数没影响。CLGS的等效蒸发焓测试（图2）根据结果得出，液态水分子在蒸发过程中通过氢键连接，通过构象变化以最小的能量在水凝胶内形成水分子团簇；当这些水分子团簇受到水凝胶的分子晶格约束时，它们更容易蒸发，以此来降低水的蒸发焓；图2给出了水和CLGS的暗场蒸发速率和等效蒸发焓；在相同能量输入下，CLGS中水分蒸发所需的能量小于理论蒸发所需的能量。

  （3）CLGS的光热蒸发性能测试表明，在1次太阳照射（图3a)下，测定了不同木质素浓度下CLGS的光热蒸发性能；用红外相机记录了CLGS的气温变化剖面（图3b)和红外图像（图3c）。CLGS的太阳蒸发率和效率表明，木质素含量的增加增强了光热转换性能。

  图 2 (a) 光热蒸发过程图解；(b)水和CLGS的等效蒸发焓；(c)黑暗条件下水和CLGS的水分蒸发速率

  图3 (a)1次太阳照射下水的质量变化；(b)1次太阳照射下CLGS的表面温度相对于加热时间的上升；(c)1次太阳照射下不同时间CLGS表面的红外照片。

  研究了木质素对水凝胶物化性能和光热性能的影响，表明木质素的加入提高了水凝胶的力学性能，降低了表面亲水性，提高了水凝胶的运水能力。高隔热性、快速的水分传输以及GO和Al在光热过程中的协同作用都是水凝胶优越蒸发性能的根本原因。这种低成本的生物质基水凝胶为合成高效太阳能蒸发器提供了新的途径，为水净化提供了一种可持续的策略。

  郑大锋（通讯作者），华南理工大学化工学院教授，近年来，针对生物质气凝胶机械性能较差、应用性能较低等核心问题，研究了木质素分子对生物质气凝胶结构及性能的影响，揭示了木质素分子在生物质气凝胶中的关键作用，为木质素在生物质气凝胶中的应用提供了思路。