Shape-controlled fabrication of cost-effective, scalable and anti-biofouling hydrogel foams for solar-powered clean water production

材料科学 生物污染 制作 蒸发 连续生产 工艺工程 化学工程 纳米技术 复合材料 化学 医学 热力学 物理 工程类 生物化学 病理 替代医学
作者
Na Li,Lin Luo,Cui Guo,Jintao He,Shuxue Wang,Liang Yu,Min Wang,Petri Murto,Xiaofeng Xu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:431: 134144-134144 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.134144
摘要

Solar-powered interfacial evaporation has emerged as a sustainable technology for clean water production with a minimized carbon footprint. Fabrication of three-dimensional (3D) steam generators via conventional processing techniques (sol–gel and template-assisted methods) remain one of the main roadblocks toward mass production and scalable applications. In this study, 3D hydrogel foams based on biopolymer composites are developed via a controlled foaming − gelation technique and applied to a monolithic interfacial steam generator. The designed closed-cell structures deliver many important form-factors to the hydrogel foams, such as light-weight, low-cost, low thermal insulation and efficient water diffusion. The hydrogel foam with a maximum height of 3.2 cm attains a high water evaporation rate of 2.12 kg m−2h−1 and a high cost-effectiveness of 2692 g h−1 $−1 under one sun. A single-stage water purification system is fabricated based on the high-performing hydrogel foam. Because of its self-floating structure and enhanced passive cooling on open water, the system attains a maximum clean water collection rate of 0.71 L m−2h−1 under real sky and surpasses a majority of single-stage solar stills. This work demonstrates the rational fabrication of hydrogel foams and combines high-performance solar evaporation with other intriguing properties (i.e., cost-efficient, scalable, anti-biofouling, self-floating and anti-overturning). The system-level design enables facile scale-up of clean water production.
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