淡水短缺已被广泛认为是威胁人类生活和可持续发展的最主要全球问题之一。太阳能蒸发是一种简单、经济高效的清洁水生产方法，不需要复杂的基础设施和化石能源。其中，水凝胶蒸发器具有良好热管理、低蒸发焓等优点，可有效提高太阳能蒸发速率。但是水凝胶太阳能蒸发器的广泛应用仍然受到定制结构以优化太阳能蒸发速率和管理废弃水凝胶蒸发器污染问题的阻碍。3D打印技术可以精确控制和快速定制仿生微观结构，尽管在这一领域取得了进展，3D打印水凝胶的制造过程相对复杂，因此难以实现更精确的结构控制。此外，水凝胶蒸发器废水处理完成后，废弃的固体蒸发器会对环境产生影响。因此，有必要开发一种新型的可降解水凝胶蒸发器，以减少其对环境的影响。但是具有微结构的可降解水凝胶蒸发器的构建仍具有一定的挑战性。
为了克服这些挑战，哈尔滨工业大学帅永教授、王兆龙教授团队提出了一种可3D打印、结构可定制且可降解的水凝胶蒸发器，以实现高效的太阳能蒸发和蒸发器组件的集成降解。相关成果以“3D printed degradable hydrogel evaporator for high-efficiency, environmental-friendly solar alkaline-water evaporation”为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。设计的水凝胶蒸发器是由聚乙烯醇（PVA）、丙烯酰胺（AAm），聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和黑色水溶性墨水组成，通过面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术设计制造了一种具有不同表面微结构水凝胶蒸发器（图1，图2）。其优异的光热转换能力、降低的蒸发焓、仿生微结构的存在使其具有良好的蒸发速率和能量利用效率。
图1. 3D 打印可降解水凝胶蒸发器的制造工艺、结构以及特性
作者研究了具有不同微观结构水凝胶蒸发器的蒸发性能（图3）。与平面结构相比，具有3D微结构的蒸发器可以吸收更多的太阳能并表现出优异的光热性能，优化的树形结构具有约97.1%的太阳光吸收率，具有树形结构的水凝胶蒸发器在1个太阳下具有2.41 kg m−2 h−1的蒸发速率，高的蒸发速率可以归结于界面温度的提升，水的蒸发焓的降低。此外，水凝胶蒸发器还具有优异的循环稳定性以及户外蒸发性能。作者还进一步研究了水凝胶蒸发器的海水淡化以及废水净化能力（图4）。首先，设计了太阳能海水淡化和废水净化系统，主要包括盐水和废水的供应/储存装置、太阳能净化水的产生/收集装置以及太阳能蒸发器三个部分。具有树形微结构的3D水凝胶蒸发器对四种盐度的样品均有理想的蒸发性能。尽管蒸发速率随着盐度的增加而降低，但在1个太阳下，构建的3D水凝胶蒸发器在20 wt%的盐浓度下的蒸发速率仍然可以保持在1.52 kg m−2h−1。其次，还使用3.5wt% KCl水溶液来模拟海水，在一个太阳下可达到2.24 kg m−2h−1的蒸发速率，并且具有优异的循环稳定性。树形结构的水凝胶蒸发器还对不同浓度的盐溶液、重金属离子、有机染料均有良好的净化作用。得益于水凝胶蒸发器的响应官能团，水凝胶蒸发器具有碱性环境下可降解的特性（图5）。当水凝胶蒸发器置于碱性环境中时，酯基（–COOR–）在OH−的作用下，逐渐降解水凝胶内部的网络。此外，聚丙烯酰胺发生碱性水解反应，酰胺基团（–CONH2）在碱性环境中反应形成羧酸钠（−COONa）。这两种水解反应对水凝胶蒸发器的降解起到协同作用。其次，还探究了不同内部因素（单体以及交联剂含量）以及外部因素（pH值以及环境温度）对水凝胶蒸发器降解速率的影响。图6. 基于可降解水凝胶蒸发器的室外大面积碱性废水处理为了展示水凝胶蒸发器的潜在应用，作者构建了户外太阳能蒸发装置，该装置包括大面积水凝胶蒸发器、碱性废水容器、净化水冷凝装置以及净化水收集装置（图6）。在自然光的照射下，记录太阳光强度以及净化水的收集量，该演示展示了水凝胶蒸发器在户外运行的可行性。更重要的是，构建的水凝胶蒸发器在净化碱性废水后发生降解，最终可以实现水凝胶蒸发器的完全降解，这种创新方法为实现碱性水的环保净化提供了一种有前途的解决方案。本研究开发了一种新型的3D打印、结构可定制的可降解水凝胶蒸发器，用于高效太阳能蒸发和集成降解。得益于3D打印技术对水凝胶蒸发器表面微结构的合理精确控制，水凝胶蒸发器表面表现出抗反射效果和多次反射，同时，水凝胶蒸发器良好的亲水性和优异的光热转换性能也赋予它们优异的太阳能蒸发速率。此外，水凝胶蒸发器在碱性溶液中表现出降解特性，在碱性废水处理过程中可以逐渐降解。这些组件可以集成到周围环境中，减少对环境的影响并实现可持续利用。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156132声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
