近年来，水溶性挥发性有机化合物(VOCs)广泛分布在自然的水文循环中，从而污染水源并导致意想不到的生态危害。根据美国环境保护署（US EPA）进行的一项调查，美国五分之一的供水中可以检测到挥发性有机化合物。开发有效的技术以消除水中的挥发性有机化合物对于确保饮用水的清洁和安全具有极其重要的意义。然而，目前针对VOCs污染物的水净化技术均为能源密集型，并且所获得水的纯度也不能令人满意，水净化所需的大量能源供应被视为一项基本挑战。在这方面，太阳能蒸馏可以从含有非挥发性污染物的原水中产生蒸汽，从而产生高质量的水，甚至满足饮用水的标准。然而，缺乏从水中去除挥发性溶质的能力从根本上削弱了其实用性。
近期，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等提出了一种超级吸水凝胶 (SWEG) 的概念，用于直接通过太阳能蒸馏进行 VOC 管理和水净化。超交联的亲水聚合物网络中的强氢键作用使 SWEG 能够从含有 VOC 的水中提取水，当水通过界面蒸发时，它会排斥 VOC 溶质。利用 SWEG 在1 sun的太阳能蒸馏下可实现高达 99.99% 的 VOCs 去除率。此外，研究人员还展示了一个太阳能净水系统，它可以生产清洁水，超越了其它基于电力的竞争技术。相关工作以“Super Water-Extracting Gels for Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management in Hydrological Cycle”为题发表在《Advanced Materials》上。
基于SWEG的太阳能蒸汽发生器去除水中的挥发性有机化合物
该SWEG由高水合海藻酸盐组成，海藻酸钠在高浓度下被金属离子交联以制备SWEG。由于炭黑作为光热添加剂，获得的SWEG成为典型的黑色材料，可有效地将太阳能转换为热能。
SWEG的材料特征
由于海藻酸钠富含含氧官能团，SWEG为超交联聚合物网络（HPN）和水分子之间的氢键提供了大量的活性点。为了研究SWEG中的水合状态，将SWEG样品在去离子水中浸泡24小时以达到饱和水合作用，并在-80℃冰箱中保存24小时以完全冻结。通过差示扫描量热法（DSC，图3b）进行监测SWEG熔融过程。纯冰的DSC曲线从0℃开始，并显示吸热峰，呈现出冻结纯水的典型熔融行为，相比之下，SWEG所含水分受到HPN的抑制，水与HPN之间的较强相互作用使水更难冻结，表明低饱和水含量的SWEG可以通过氢键与水分子发生强烈的相互作用。因此，水分子可以渗透过HPN并与海藻酸钠聚合物链形成氢键，由于该氢键比水和VOC分子之间的偶极-偶极相互作用更加稳定， SWEG可以从VOC溶液中提取水，从而防止产生的水蒸气受到VOCs污染。
基于SWEG的 VOC去除机理研究
在此基础上，研究人员基于SWEG建立了一种改进的太阳能蒸馏系统，用于连续水净化。为了模拟大型太阳能水净化系统的设计，该系统连接了一个空气循环系统，将获得的蒸汽转移到冷凝器进行水收集，并将一个给水循环系统连接到底室，以保持恒定的VOC浓度。测试表明，该SWEGs通过太阳能蒸馏技术可表现出优异的VOCs去除效率(苯酚为99.0%，三氯乙烯为99.99%)，在1sun(1 kW m −2)下的水产率为1.4 kg m−2 h−1，而且净化后水中的VOCs残留量符合世界卫生组织(WHO)和美国环保署推荐的健康饮用水标准。此外，与现有VOC消除技术的比较。基于SWEG的太阳能蒸馏对利用太阳能的电力的依赖性显著降低。
基于SWEG的太阳能蒸馏
与现有VOC消除技术的比较
来源：高分子科学前沿
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