, 张涛1, 崔福义2, 王威1
1. 哈尔滨工业大学环境学院, 城市水资源与水环境国家重点实验室, 哈尔滨 150090;
2. 重庆大学环境与生态学院, 重庆 400030
收稿日期: 2019-12-20; 修回日期: 2020-09-15; 录用日期: 2020-09-15
基金项目: 国家自然科学基金(No.51873047)
作者简介: 韩宇(1996-), 男, E-mail:hithanyu@163.com
通讯作者（责任作者）: 王威(1983—), 男, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为：水污染控制技术及非常规水源利用. E-mail:wangweirs@hit.edu.cn
摘要：近年来淡水资源短缺问题日趋严重，使用非常规水源作为淡水资源的补充受到了广泛关注.海水和大气水是非常规水源中很重要的组成部分，最近十年水凝胶逐渐被应用到处理这些水源的技术之中，如光热蒸馏、正渗透、水富集.由于水凝胶与水分之间独特的相互作用，使得水凝胶与之前所研究的水处理材料相比在吸水性能和脱水性能方面都具有极大的优势.此外，其在自然光照条件下就可以实现水处理工艺的运行，从而使得水处理过程更加低碳环保.本文首先介绍了海水淡化和大气集水方法的发展历程，之后分别介绍了水凝胶应用于海水淡化和大气集水方面近几年来的研究进展，从评价指标、处理原理、影响因素、净化能力等方面对各种处理工艺进行总结，最后提出了光驱动水凝胶用于非常规水源处理方法的研究前景.
关键词：海水淡化水富集水凝胶光热蒸馏正渗透
Research progress of solar-driven hydrogels for treatment of unconventional water sources
HAN Yu1
, ZHANG Tao1, CUI Fuyi2, WANG Wei11. State Key Lab of Urban Water Resource and Environment, School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090;
2. College of Environment and Ecology, Chongqing University, Chongqing 400030
Received 20 December 2019; received in revised from 15 September 2020; accepted 15 September 2020
Abstract: In recent years, the shortage of freshwater resources has become increasingly serious, and the use of unconventional water sources as a supplement to freshwater resources has received widespread attention. Sea water and air water are very important components of unconventional water sources. In the past decade, hydrogels have gradually been applied to technologies for treating these water sources, such as photothermal distillation, forward osmosis, and water enrichment. Due to the unique interaction between hydrogels and water, hydrogels have great advantages in terms of water absorption and dehydration performance compared with previously studied water treatment materials. In addition, it can realize the operation of the water treatment process under natural light conditions, thereby making the water treatment process more low-carbon and environmentally friendly. This article first introduces the development history of seawater and air water treatment methods, and then respectively introduces the research progress of hydrogels in seawater and air water treatment in recent years, from the aspects of evaluation indicators, treatment principles, influencing factors, purification capabilities, etc. Summarize various treatment processes, and finally put forward the research prospects of light-driven hydrogels for unconventional water source treatment methods.
Keywords: seawater desalinationwater harvestinghydrogelphotothermal desalinationforward osmosis
1 引言(Introduction)淡水是人类生活与生产中不可或缺的要素, 但在全球人口不断增长的背景之下, 淡水资源短缺问题越来越严重.使用非常规水源作为淡水资源的补充显得尤为重要(Vorosmarty et al., 2000; Milly et al., 2005; Piao et al., 2010).在非常规水源中, 海水和大气水两者储量丰富且相对容易获取, 所以受到了越来越多的关注.近年来水凝胶已逐渐运用到这些水源的处理工艺中, 如光热蒸馏、正渗透及水富集, 由于与水分子之间特殊的相互作用, 水凝胶在非常规水源处理方面展现了重要优势.一方面水凝胶本身具有很强的亲水性且内部具有良好的孔道结构, 这就使得其在水分的吸收和运输能力方面具有较大的优势, 水凝胶基体分子之间合适的相互作用, 使得水凝胶在吸水过程中会发生一定程度的溶胀, 从而使其能保存更多的水分；另一方面, 水凝胶可以降低水分蒸发所需要的蒸发焓, 从而打破了之前对于蒸发率的理论限制, 明显地提高了水凝胶的脱水能力.此外, 部分水凝胶还具有特殊的刺激响应性质, 从而可以更进一步提高水凝胶的脱水能力.水凝胶在这些非常规水源处理过程中都需要经历吸水和脱水两个阶段, 在吸水阶段不需要外界能量的输入可以较为容易的自发进行, 而在脱水阶段则需要外界能量的输入.能量的来源有许多, 但在针对水处理领域未来发展方向的要求中, 使用清洁且可再生的能源(Elimelech et al., 2011)是其中重要的一部分.结合水凝胶的脱水特性引入太阳能作为水凝胶脱水阶段的能量来源, 这样既能满足脱水过程的能量消耗又能使处理工艺更加绿色环保.
目前, 很多处理工艺被用于海水淡化和大气集水的研究中.海水淡化处理工艺主要分为热法和膜法两大类, 热法主要包括多效闪蒸、膜蒸馏(Zhong et al., 2019)等方法, 膜法主要包括反渗透(Shenvi et al., 2015).近年来人们提出了光热蒸馏和正渗透技术用于海水淡化处理.最早研究的光热蒸馏材料是光热膜, 目前已经有大量关于光热膜的研究成果, 主要集中在光热材料(Xu et al., 2019a; Xu et al., 2020a)、光吸收性能(Xu et al., 2019b)和抗污染性能(Xu et al., 2019c; Xu et al., 2019d)等方面, 之后又将具有三维结构的光热材料引入到蒸馏体系中(Xu et al., 2020b).正渗透工艺主要包括膜(Li et al., 2016a)和驱动剂的研究, 对于驱动剂的研究(Ge et al., 2013)经历了很长时间, 最开始人们使用盐类作为驱动剂, 如碳酸氢铵(Mccutcheon et al., 2005)、2-甲基咪唑(Yen et al., 2010)、氯化镁(Niksefat et al., 2014)、六价磷腈盐(Stone et al., 2013), 大气集水最先使用的材料是硅凝胶(Entezari et al., 2019)、沸石(Kim et al., 2016)等一些具有吸水性的天然多孔物质, 之后开始研究金属有机骨架(MOF)(Kim et al., 2017)作为吸水性材料.虽然目前已经有大量的材料被用于非常规水源的处理工艺研究中, 但仍然面临大量的问题和挑战, 如脱水能耗高、脱水效率低、吸水能力差.而由于水凝胶具有的脱水能垒低、吸水与输水性能强等一系列优质特性, 恰恰为解决这些问题提供了新方法.
本文主要对近年来利用光能作为能源, 驱动水凝胶处理非常规水源的文献进行总结, 从评价指标、处理原理、影响因素、净化能力等方面进行介绍, 在对目前非常规水源处理工艺中所遇到的挑战进行总结时, 也为其之后的发展方向提出一定的展望.
2 大气集水(Water harvesting)水凝胶用于大气集水的研究是在近几年开始的, 目前研究最多的水凝胶主要分为两类：一类是Li等在2018年提出在水凝胶内部搭载吸湿性的材料来收集空中水(Li et al., 2018), 经实验发现, 这种水凝胶在环境湿度较低的情况下对大气水有一定的收集作用, 且由于水凝胶具有降低水蒸发焓的特点, 所以脱水过程所需要的能量会比之前使用的沸石和硅凝胶低.另一类是Kazuya等(2018)在同一年提出将温敏性高分子材料引入到水凝胶之中, 制备出具有温度响应性质的水凝胶, 当水凝胶的温度低于其最低临界溶解温度时, 整个水凝胶呈现亲水性, 此时经过测量发现水释放所需的活化能为95.3 kJ · mol-1；而当水凝胶的温度高于其最低临界溶解温度时, 整个水凝胶呈现疏水性, 此时测得水释放所需要的活化能为3.8 kJ · mol-1, 这种水凝胶脱水所需要的能量更低, 所以引起了人们的广泛关注.
水凝胶水富集的原理主要有两个方面：一是借助水凝胶内部具有吸湿性的无机盐来实现对大气水的吸收, 凝结之后的水被水凝胶保存在水凝胶内部；二是通过水凝胶自身所具有的亲水性, 主要依靠水凝胶与大气中水分子之间的氢键和范德华力来实现对空气中水分的收集.图 1为水凝胶水富集过程的示意图.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 水凝胶水富集过程示意图(Li et al., 2018) Fig. 1Schematic diagram of hydrogel water harvesting process |
水凝胶吸水性能受多种因素的影响, 如比表面积、温度、含水率、空气湿度.水凝胶的比表面积越大, 其对于水的吸附能力越强, 环境温度也会对水凝胶吸水性能产生影响, 环境温度越高越不利于水的吸附, Nandakumar等(2019)认为这是由于吸附过程中的潜热被水凝胶中的材料所吸收造成的.此外, 环境温度越高, 就更易造成水凝胶吸收外界的热能, 从而造成水凝胶内部水的重新蒸发, 降低了水凝胶对于水的吸附效果.含水率也会对水凝胶的吸水过程产生影响, 当水凝胶的含水率越高时, 水凝胶与大气中的水分子结合力减弱, 从而造成对大气水的吸附能力减弱, 并且会出现吸附的水重新蒸发的现象.为了解决这一问题, Lee等(2019)在水凝胶外部包裹了经过疏水性改造的铜网, 使得水分较难从铜网中溢出, 从而减少了重新蒸发所消耗的水量.空气湿度越高, 水凝胶所能吸收的水量也就越大, 吸水所需要的时间也会越短, 但陆地上的环境湿度一般都较小, 所以Nandakumar等(2019)通过设计了一种轻型的反应器, 使得其可以自由漂浮在海水上, 这样就保证水凝胶一直处于相对湿度高的环境中, 从而提高了每天的产水量.经过吸水过程之后, 就需要进行脱水来实现对水的收集, 这个过程需要的能量由太阳能提供, 所以其脱水的能力也与吸光率有一定的关系, 吸光率越高, 水凝胶整体的温度也就越高, 这时脱水的速度也会相对越快.此外, 具有温敏特性的水凝胶其脱水能力往往高于普通型水凝胶.表 1总结了最近几年使用水凝胶作为水富集材料的相关性能研究.
表 1(Table 1)
| 表 1 水凝胶水富集近几年的研究进展 Table 1 Recent development in water harvesting by hydrogel | ||||||||||||||||||||||||||||
表 1 水凝胶水富集近几年的研究进展 Table 1 Recent development in water harvesting by hydrogel
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由于近几年空气污染问题变得较为严重, 从而使得水凝胶所处的大气环境中存在各种各样的污染物, 环境中的污染物会对水凝胶所富集的水分水质产生一定的影响.为了避免环境中污染物对收集的水分水质的影响, Yao等(2019)测试了水凝胶在大气受到污染条件下所收集的水分, 发现水凝胶收集到的水分仍能保持良好的水质, 对无机盐的去除率可以达到97%(图 2).
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 富集水的水质(Yao et al., 2019) Fig. 2Water quality of water harvesting |
3 海水淡化(Desalination)3.1 光热蒸馏在2018年, 余桂华课题组第一次提出将水凝胶用于光热蒸馏过程, 经试验测定, 其在一个太阳光照强度下的蒸发率可以达到2.5 kg · m-2 · h-1(Zhao et al., 2018), 蒸发率远远高于之前所推算出的理论最高值, 从而引发了极大的关注.水凝胶光热蒸馏是一种界面蒸发, 其原理图见图 3.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 水凝胶光热蒸馏原理图(Zhou et al., 2018) Fig. 3Schematic diagram of hydrogel photothermal desalination |
水凝胶是一种亲水性的大分子聚合物.关于水凝胶提高水蒸发率的原因, 目前最受认可的说法是水凝胶降低了水的蒸发焓.对于水凝胶降低蒸发焓的原因有以下几种观点：Miyazaki等(2004)通过实验观察发现, 水凝胶内部的水分是以团簇体的形式蒸发的, 所以水的蒸发焓会降低；Zhou等(2019)通过调节水凝胶中聚乙烯醇和壳聚糖的比例来改变水凝胶中各种水状态所占的比例, 发现水的状态也会对蒸发焓产生影响.水凝胶内部水的状态可以分为3种, 一种是结合水, 这部分水主要通过物理键和化学键与水凝胶的基体相结合, 其释放所需要的能量是3种状态中最多的；第2种是自由水, 这种水蒸发所需要的能量与普通水所需要的能量相一致；第3种就是介质水, 位于结合水与自由水之间, 其蒸发所需要的能量在3种水状态中是最低的.Yu等(2020)认为聚合物的网格结构是改变蒸发焓的主要原因, 其认为在聚合物中水分子与基体之间的键能要小于水分子之间的键能, 所以蒸发焓会出现降低.
目前主要有两种方法可以测得水凝胶中水的蒸发焓, 一种是差式扫描量热仪(Differential scanning calorimeter, DSC)法, 这种方法主要是将水凝胶放置在一个开放的铝坩埚中, 在氮气的氛围内, 将温度从30 ℃以5 ℃ · min-1的速率增加到200 ℃, 通过测得的热流信号来确定蒸发焓.经试验发现, 这种测试方法测出的蒸发焓较大, 这是由于该方法是将水凝胶中所有的水都蒸发出来从而测定其需要的能量.而在光热蒸馏过程中, 并不是所有的水都会被蒸发出来, 所以这种方法测得的蒸发焓与实际情况有一定差距.第2种是暗态等价(dark)法, 这种方法主要将水和水凝胶放置在一个封闭的且环境湿度恒定的容器内, 测量其相同时间内质量的变化情况, 通过公式(1)计算得出等价蒸发焓.该方法测出的蒸发焓一般较低且测试过程与真实蒸发过程相同, 所以本研究认为用暗态等价法作为蒸发焓的测定方法更加准确.
 | (1) |
对于光热蒸馏过程而言, 光热蒸发率、光吸收率及能量利用率是评价该过程的重要指标.Guo等(2020a)提出以单位时间单位成本所能产生的水量作为评价光热蒸馏经济效益的指标, 经计算其制备的水凝胶的单位成本产水量为215 g · h-1.表 2总结了近几年用于光热蒸馏过程中的水凝胶的组成、性能及测出的蒸发焓.
表 2(Table 2)
| 表 2 水凝胶光热蒸馏近几年的研究进展 Table 2 Recent progress of hydrogel photothermal desalination | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 水凝胶光热蒸馏近几年的研究进展 Table 2 Recent progress of hydrogel photothermal desalination
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蒸发率是评价光热蒸馏效果的一项重要指标, 提高水凝胶的光热蒸发率主要通过增加光吸收、减少热损耗、增强水传输这3种途径来实现.图 4总结了实现高蒸发率的具体途径.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 实现高蒸发率的途径 Fig. 4Approach to achieve high evaporation rate |
水的运输能力是影响蒸发率的一个重要因素, 水凝胶中水分的供给主要通过3种途径来实现：毛细作用、蒸汽压作用、渗透压作用.增强水传输主要通过改变水凝胶的含水率和孔道体系来实现.Zhou等(2018)研究了含水率对水凝胶蒸发的影响, 结果发现含水率较高时, 能量利用率会出现降低, 而当水凝胶含水率较低时, 会影响水的输送, 同样也会抑制水凝胶的蒸发.孔道结构也是影响水运输能力的一个重要因素, 研究表明, 竖直的孔道结构更有利于水分的运输.例如, Yu等(2020)制备出了具有竖直孔道结构的水凝胶, 发现其蒸发率可以达到2.7 kg · m-2 · h-1, 而没有竖直孔道结构的水凝胶其蒸发率只有1.21 kg · m-2 · h-1.Liang等(2020)对竖直孔道结构进行了进一步研究, 制备出孔径沿着孔道方向变化的水凝胶, 发现当使用孔径上小下大的水凝胶时, 不仅可以减小热量向下的传输, 而且还可以通过孔道尺寸的变化来增强毛细力的作用, 从而提高对水的输送能力.
增加光吸收主要通过提高水凝胶的吸光率来实现, 对于太阳能的吸收依靠的是光吸收剂与水凝胶的共同作用.目前已知的光吸收剂主要分为4类：一类是碳基材料, 如还原氧化石墨烯(Zhou et al., 2018)、氧化石墨烯(Zhao et al., 2019b)、炭黑(Hu et al., 2020)等；一类是半导体材料, 如硫化铜(Sun et al., 2019a)、三氧化二钛(Guo et al., 2019b)等；一类是金属材料, 如金(Huang et al., 2020)、银(Liu et al., 2020)等；一类是其他材料, 如多巴胺、聚吡咯(Zhao et al., 2018)等.此外, 水凝胶表面粗糙度可以通过影响水凝胶表面对太阳光的反射情况来影响吸光性能.Guo等(2019a)制备出表面粗糙情况不同的水凝胶, 经实验发现, 表面具有粗糙结构的水凝胶其蒸发率为2.6 kg · m-2 · h-1, 而表面光滑的水凝胶其蒸发率只有2.0 kg · m-2 · h-1.此外, Tian等(2020)还研究了将不同光吸收剂混合起来对太阳光的吸收效果, 结果发现, 将石墨烯和氧化石墨烯混合起来作为光吸收剂时, 其对太阳光的吸收能力要大于单一光吸收剂对于太阳光的吸收能力.
降低水凝胶的热损耗也是提高水凝胶蒸发率的方法之一, 水凝胶的热损耗主要由三部分组成, 分别为热辐射、热对流及热传导(Tao et al., 2018).目前对于降低热损耗已经有了一系列的研究, 例如, Ni等(2016)通过在光热材料的上表面放置热的绝缘体来减小热辐射及热对流所造成的能量损失；Ghasemi等(2014)提出在光热材料与水之间加入亲水性的隔热材料来减小热传导的损耗；Li等(2016b)采用疏水性的隔热材料来实现减小热传导的效果, 不过为了保证水的输送, 该研究将纤维素纸包裹在隔热材料表面以提供水运输的渠道；Tan等(2019)在水凝胶制备过程中加入硅凝胶, 由于硅凝胶密度低, 所以会停留在水凝胶上部, 造成水凝胶上下两部分的热导率不同, 从而减少了热传导所消耗的能量.除此之外, 水凝胶表面温度与环境温度的差值也会对能量的损耗产生影响, 从理论上分析, 两者差值越小, 通过热对流和热辐射所损耗的能量就越小.因此, 可以通过对蒸馏装置进行保温从而降低两部分温度的差值来提高能量利用效率.
水凝胶光热蒸馏的净化能力也是评价其性能的指标之一, 目前主要研究了其对无机盐和有机染料的去除性能.研究发现, 经光热蒸馏处理之后的水体, 其含盐量低于世卫组织规定的淡水含盐量为0.1%这一要求(World Health Organization, 2011), 处理之后的水体中并不会出现有机染料残留.此外, Guo等(2020a)还研究了光热蒸馏对微生物和挥发性汞的去除效果, 发现两者的净化效果都很好, 其认为对于挥发性汞的去除主要依靠吸附作用.Sun等(2019b)测试了水凝胶光热蒸馏在二氧化硅水溶液、黑墨水及泥水中的净化作用, 发现其净化作用也较好.图 5展示了经过水凝胶光热蒸馏处理之后的水质情况.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 水凝胶光热蒸馏处理之后的水质(Zhao et al., 2018; Guo et al., 2020a; Zhou et al., 2019) Fig. 5Water quality treated by hydrogel photothermal desalination |
在光热蒸馏过程中, 由于析出的盐分会停留在水凝胶表面, 从而影响水凝胶对于光的持续吸收.目前解决这一问题的方法主要有两种：一种是通过提高水凝胶整体的输水性能, 从而使析出的盐分尽快溶解, Huang等(2020)通过在水凝胶中构建出一系列孔径较大的孔道来加速盐分的溶解, 经试验表明, 在长时间的蒸发过程中, 水凝胶表面并没有盐分的累积；另一种方法是通过截留盐分来避免盐分的析出, Zeng等(2019)第一次将离子型水凝胶引入到光热蒸馏过程中, 由于水凝胶中含有大量的离子基团, 所以其可以通过电荷的排斥作用使部分无机盐无法进入到水凝胶内部, 进入水凝胶内部的无机盐也会由于吸附作用而被截留, 不能到达水凝胶表面, 经实验发现, 在长时间光照蒸发过程中, 不会出现盐分累积的现象.
光热蒸馏的最终目的是收集淡水, 所以其收集装置的设计也是非常重要的.由于收集装置是一个密闭的环境, 这样就会造成装置中的水蒸气含量很快达到饱和状态, 从而抑制了水的继续蒸发.Guo等(2019a)提出通过引入风来加快水蒸气的排放, 从而使得水凝胶的蒸发率保持在一个较高的状态.Yu等(2020a)提出了一种新型收集器的设计方法, 水凝胶在其中起到的是光热转换的作用, 加热水凝胶下部亲水层中的水, 使其转变成水蒸气.亲水层下部是疏水层, 只允许水蒸气通过不允许水通过, 将冷凝器放置在疏水层之下, 由于冷凝过程所产生的空气压差, 就会使得蒸汽持续地向下传递, 这样不需要风也可以实现水蒸气的高效排出, 减小了收集过程中所需要的能量.但这个装置并没有利用水凝胶所具有的特性, 只是将其简单地作为一种热源, 所以并不能严格的算作水凝胶光热蒸馏的反应装置.
3.2 水凝胶正渗透正渗透是近几年出现的比较新颖的方法, 其基本原理是利用渗透压的不同, 从而使得水从渗透压低的溶液中迁移到渗透压高的驱动剂中, 之后再通过一些方法将水从驱动剂中提取出来.驱动剂在正渗透过程中主要起吸收水的作用, 依靠驱动剂的渗透压和亲水性来实现.在2011年, Li等(2011a)第一次将水凝胶引入到正渗透的过程中, 由于水凝胶具有易脱水且没有毒害作用等性质, 使得水凝胶作为驱动剂受到了广泛关注.用于正渗透的水凝胶一般选取的都是具有刺激响应特征的水凝胶, 目前使用较多的是热响应水凝胶.图 6所示为水凝胶正渗透处理过程的流程图.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 水凝胶正渗透过程流程图(Li et al., 2013) Fig. 6Schematic diagram of hydrogel forward osmosis |
在水凝胶的吸水过程中, 主要经历了3个阶段：第1阶段, 水凝胶内部含水率较低, 由于水凝胶内部存在着硬的晶核, 导致水只能朝单一方向运输；第2阶段, 随着水凝胶内部含水率的不断增加, 水凝胶内部的晶核开始变得松散, 从而使得水分可以朝各个方向运输, 从而加快了其溶胀的速率；第3阶段, 由于水凝胶中的水分已经达到饱和, 此时溶胀的速率就变得很慢.因此, 在吸水过程中主要存在两种速度, 一种是聚合物链松弛率, 一种是水扩散率, 这两种速度共同决定着水凝胶溶胀的快慢(Ou et al., 2016).由于水凝胶具有溶胀的性能, 这就使得单位质量的水凝胶与之前所使用的驱动剂相比可以储存更多的水分.
目前主要采用吸收水通量、含水率、水回收率、脱水水通量等指标评价水凝胶用于正渗透的效果.表 3总结了水凝胶正渗透近几年的研究进展.
表 3(Table 3)
| 表 3 水凝胶正渗透近几年研究进展 Table 3 Recent progress of hydrogel forward osmosis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 水凝胶正渗透近几年研究进展 Table 3 Recent progress of hydrogel forward osmosis
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但在实际研究过程中发现, 各种指标中的参数选择较为随意, 且单一指标不能准确地描述水凝胶吸水和脱水过程.因此, 本文提出一些新的评价指标来对之前的评价指标进行完善.吸附阶段之前采用吸附水通量和含水率来表征, 提出用等效吸附水通量(Fa)来替代这两个评价指标, 具体计算公式如下：
 | (2) |
而在脱水过程中, 之前采用水回收率和脱水水通量来表征.这两者都无法准确地描述水凝胶脱水性能, 因为都忽略了水凝胶在脱水阶段的初始状态.目前所有文献中水凝胶在脱水阶段的初始含水率都不相同, 这样就会造成不同的水凝胶之间无法互相对比, 从而无法判断水凝胶脱水性能的好坏.为了解决这一问题, 本文提出采用等效脱附水通量(Fd)来替代之前的指标, 具体计算公式如下：
 | (3) |
在以水凝胶作为驱动剂的过程中, 有很多因素会对其效果产生影响.原料液对正渗透效果有一定的影响, 当原料液的含盐量越高时, 两侧的渗透压差值就会越小, 从而造成吸水量减小.此外, Li等(2013)还研究了不同的膜对于水凝胶用于正渗透过程的影响, 根据实验得出的结果可以发现, 采用具有亲水性且厚度更小的膜将更有利于正渗透过程.水凝胶颗粒之间的连接情况也会对正渗透效果产生影响, Cai等(2015)测试了水凝胶之间连接程度对正渗透过程的影响, 根据实验结果可以发现, 水凝胶之间连接越紧密时, 水凝胶整体的溶胀率会出现下降.但产水量会随着水凝胶连接程度的增加呈现先增加后降低的趋势, 这是由于水凝胶连接程度较小时, 虽然溶胀率偏高, 但整体吸收的水量较少；而当水凝胶连接程度较大时, 则又会影响到水凝胶的溶胀率从而影响到水凝胶的吸水能力.材料亲水性的强弱也会对水凝胶吸水性能产生影响, 亲水性越强的水凝胶其吸水性能也越强.改变水凝胶亲水性的方法有很多, Ou等(2016)通过将亲水性的热可塑性聚氨酯膜掺杂到水凝胶中来提高水凝胶的亲水性, 加入亲水性的热可塑性聚氨酯膜为水的运输提供了一个水通路, 从而增加了水凝胶的输水性能, 在连续工作12 h之后其水通量仍然能够保持在1 LMH以上.但由于热可塑性聚氨酯膜并不具有溶胀性, 所以其溶胀率会出现降低.Wei等(2016)通过以吸水性能强的泡沫塑料聚氨酯作为基体, 在其上搭载聚丙烯酸钠和聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶来提高整体的亲水性, 使得水通量可以达到17.9 LMH.目前在水凝胶用于正渗透的研究中, 脱水性能也是其中很重要的一部分, 由于评价指标的不合理性, 导致无法定量地对不同水凝胶之间的脱水性能进行对比.本文此处对用于正渗透的脱水性能进行定性的总结.用于正渗透的水凝胶其脱水原理与水富集中的水凝胶一致, 就水凝胶的种类而言, 温敏型的水凝胶脱水性能要强于普通型水凝胶.Razmjou等(2013a)通过实验测得了温敏型水凝胶在光照下的脱水性能, 发现其在一个太阳光照强度下的脱水通量可以达到10 LMH.这个脱水能力远远高于只依靠蒸发所提供的脱水性能, 所以目前绝大部分用于正渗透的水凝胶都采用的是温敏性水凝胶.此外, Razmjou等(2013b)还研究了温敏性水凝胶的脱水通量与脱水所需的能量随时间的变化, 发现随着脱水时间的逐渐延长, 脱水通量逐渐减小, 脱水所需要的能量也就越来越高.
污染物质的去除效率是评价海水经过正渗透处理之后能否能作为淡水的重要指标.Geng等(2019)通过将膜包裹在水凝胶外部, 发现其在处理氯化钠为1 mol · L-1的水体时, 盐分截留率可以达到95.4%, 处理之后的水体中各种无机离子浓度(图 7)均满足世卫组织的要求(World Health Organization, 2011).
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 水凝胶正渗透的污染物截留率(Geng et al., 2019) Fig. 7Contaminant rejection rate of hydrogel forward osmosis |
膜污染问题是正渗透过程常见的问题之一, 由于水中含有大量的无机盐和有机物, 这些物质容易对膜的孔道结构造成堵塞, 从而影响水凝胶对水分的吸收.Qin等(2018)提出将水凝胶搭载到膜上以降低膜的污染, 水凝胶在膜上主要起到选择性的作用, 由于水凝胶具有亲水性, 所以大部分有机物都无法停留在膜表面, 即使有小部分有机物吸附在膜表面, 也很容易在再生过程中随着水的流动而去除.
4 展望(Prospect)作为淡水资源的重要补充, 非常规水源近几年来得到广泛关注, 且相关研究发展迅速, 许多处理方法也正在进行大量和深入的研究.本文对水凝胶处理非常规水源方法的研究前景进行了总结(图 8).
图 8(Fig. 8)
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| 图 8 使用水凝胶处理非常规水源今后研究方向的总结 Fig. 8Summary of research direction for using hydrogel to treat unconventional water resource |
水富集方面今后的发展方向主要包括以下几点：①虽然目前水凝胶在低湿度环境下的吸水性能与之前相比, 已经有了一定的提升, 但吸水性能在低湿度环境下还需要进一步提高；②水凝胶在自身含水率较高的条件下, 水分重新蒸发的趋势会逐渐加强, 目前对于如何抑制这部分蒸发进行的研究还较少；③开发出最低溶解温度更低的水凝胶, 会进一步提高水凝胶的脱水性能.
正渗透方面今后的发展方向主要包括以下几点：①提高水凝胶的输水能力, 增加其吸水的速度, 使水凝胶在较高的溶胀率下仍能保持一定的水通量；②提高水凝胶的能量利用率, 加强水凝胶的吸光效果, 加快水凝胶脱水的速度；③开发新的温敏材料, 降低其最低溶解温度, 进一步提高水凝胶的脱水性能.
光热蒸馏方面今后的发展方向主要包括以下几点：①进一步研究造成蒸发焓降低的原因；②扩大水质检测指标, 确定水凝胶对氨氮、磷、可挥发性有机物等污染物质的净化效果；③通过研究开发出光热转换效率更高的光吸收剂, 降低水凝胶的制备成本.
目前这3个方向存在的共性问题有以下几方面：①收集装置研究较少, 目前的研究重点还是集中在产水阶段, 对于收集水的条件和装置研究较少.而现在应用于水凝胶处理非常规水源过程中的装置大部分都比较小型化, 不能满足大规模工业化生产的需要, 所以开发出可以工业化大规模生产的蒸馏装置也是今后的研究方向之一.②工艺流程设计, 由于在正渗透和水富集这两种工艺中, 吸水和脱水两阶段是分开进行的, 所以需要通过优化吸附和脱附两阶段的时间来优化整个工艺, 以获得最多的产水量和最低的能耗.此外, 由于吸水和脱水两阶段的最适条件刚好相反, 如何能快速地转变实验装置内部的环境条件也是需要进一步研究的问题.③副产物的处理, 在海水淡化中, 使用光热蒸馏会产生含盐量较高的浓水, 这些浓水如果不加处理就排放到水体中, 将会对环境造成极大的污染, 由于浓水中各种物质的浓度都较高, 适合通过分质的方法进行回收利用.④由于脱水过程所需要的能源是由太阳能提供的, 这样就会使得这些过程在运行时受环境影响较大, 导致产水的稳定性受到一定的限制, 因此, 最好能将多种绿色且可再生的能源共同结合, 从而保证产水过程的稳定性.
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