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西安工程大學(xué)支超團隊 STOTEN：完全由廢棉制備的高效界面太陽能蒸發(fā)器
2023-08-19  來源：高分子科技

  近年來，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展和世界人口的增多，水污染和飲用水短缺成為全球性問題。為了滿足全球?qū)Φ找嬖鲩L的需求，迫切需要開發(fā)低成本、高效益的水清潔技術(shù)。太陽能是現(xiàn)階段最清潔、最廉價的可再生能源，而界面太陽能蒸發(fā)器作為一種利用太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)以生產(chǎn)淡水或處理廢水的裝置，因具有低能耗和環(huán)境友好等優(yōu)點，已成為最重要的水清潔技術(shù)之一。然而，目前大多數(shù)界面太陽能蒸發(fā)器所用光熱材料成本高昂，同時蒸發(fā)器的固有結(jié)構(gòu)限制了其更高效的蒸發(fā)性能。另一方面，紡織業(yè)中產(chǎn)生的大量廢棉及其后續(xù)處理對全球環(huán)境造成了很大威脅，廢棉的高值化回收再利用面臨挑戰(zhàn)。



  近期，西安工程大學(xué)支超團隊報道了一種完全來自廢棉再生的具有分層多孔結(jié)構(gòu)的高效界面太陽能蒸發(fā)器H-CA-CS，如圖1所示。具體來說，廢棉通過水熱碳化制備成碳微球(CMS)，作為H-CA-CS的光熱材料；通過堿尿溶解、溶膠凝膠、冷凍干燥實現(xiàn)廢棉纖維素氣凝膠(CA)，作為太陽能蒸發(fā)器的基底材料。此外，通過調(diào)整纖維素含量，獲得了具有密度差的分層多孔結(jié)構(gòu)。H-CA-CS上層為大孔CA，結(jié)合CMS有利于光吸收并且能夠加快蒸汽逸出；下層為小孔CA，可形成較強的毛細(xì)效應(yīng)，有利于水的快速傳輸。H-CA-CS優(yōu)越的結(jié)構(gòu)設(shè)計使其具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、快速輸水能力且能夠高效淡化海水。本研究提出了一種相對低成本和環(huán)境友好型的界面太陽能蒸發(fā)器的新方法，并展示了其在海水淡化和廢水處理中的潛在應(yīng)用。 


圖1. H-CA-CS的示意圖


  H-CA-CS良好的吸光和連續(xù)的供水能力是太陽能蒸汽產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。如圖2所示，H-CA-CS的吸光率為96.1%，且在1個太陽照射下，干態(tài)H-CA-CS的溫度穩(wěn)定在67℃，表明H-CA-CS具有優(yōu)異的吸光能力。H-CA-CS的水接觸角為0°，且將H-CA-CS放入盛有水的培養(yǎng)皿中，0.6 s內(nèi)培養(yǎng)皿中的水已經(jīng)滲透到H-CA-CS表面，表明H-CA-CS能夠?qū)λM(jìn)行快速運輸和擴散，保證了太陽能蒸汽生成過程中的持續(xù)輸水。 



圖2. H-CA-CS的水、熱管理


  為了從整體上研究H-CA-CS在太陽能驅(qū)動下的蒸發(fā)性能和分級多孔結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)勢，在這里評估了H-CA-CS的蒸發(fā)、穩(wěn)定和耐鹽性能。如圖3所示，在1個太陽下，H-CA-CS的水蒸發(fā)速率和效率分別為1.68 kg m-2 h-1和90.6%。此外，H-CA-CS還表現(xiàn)出長期穩(wěn)定的太陽能蒸汽生成行為（1.61 kg m-2 h-1）和優(yōu)異的鹽自溶性。 


圖3. H-CA-CS的蒸發(fā)、穩(wěn)定和耐鹽性能


  圖4展示了H-CA-CS的蒸發(fā)機理并比較了CS層中大小孔對蒸發(fā)性能的影響。CS層孔徑大、表面不平整和碳微球（CMS）的加入減少了太陽光在表面的反射，同時增加了材料內(nèi)部太陽光的反射，進(jìn)一步延長了入射光路，從而使CS層迅速升溫，提高了能效。CA層的小孔徑增強了毛細(xì)力，且含有較多的親水基團，保證了H-CA-CS充足的供水量。此外，孔徑較大的CS層比孔徑較小的CA層具有更高的光吸收和蒸汽逃逸能力。因此，CS層優(yōu)異的吸光能力和CA層快速的輸水能力協(xié)同促進(jìn)了H-CA-CS的蒸汽生成，提高了H-CA-CS的蒸發(fā)性能。 


圖4. H-CA-CS的蒸發(fā)機理


  為了探索H-CA-CS在實際應(yīng)用中的可能性，使用實驗室自制的凈水裝置收集純凈水，如圖5所示。在室內(nèi)模擬太陽光條件下對人工海水、重金屬離子和染料廢水進(jìn)行了凈化。結(jié)果表明，脫鹽前后人工海水中四種主要離子（Na+、Mg2+、K+和Ca2+）的去除率均超過99.6%，符合世界衛(wèi)生組織（WHO）和美國環(huán)境保護署（EPA）制定的淡水標(biāo)準(zhǔn)。H-CA-CS對廢水中的Mn2+、Co2+、Cu2+和Cr3+等各種重金屬離子具有良好的去除效果，其中Mn2+的去除率更達(dá)到100%。此外，從染料污染水（MB和MO）收集的淡水變得無色，MO和MB的特征吸收峰完全消失。表明H-CA-CS是可持續(xù)海水淡化和有效處理廢水的界面太陽能蒸發(fā)器。 


圖5. H-CA-CS的太陽能水凈化應(yīng)用


  在實際應(yīng)用中，在室外放置了自制太陽能水凈化裝置，如圖6所示。研究選取了來自中國渤海和東海的海水作為蒸發(fā)海水，結(jié)果表明H-CA-CS在真實太陽光照射下的蒸發(fā)速率為1.41 kg m-2 h-1，且處理前后海水中所有離子的去除率均在99%以上，證明了HCA-CS在真實環(huán)境條件下仍具有優(yōu)異的凈化能力。 


圖6. H-CA-CS的實際應(yīng)用


  相關(guān)成果以“An efficient interfacial solar evaporator featuring a hierarchical porous structure entirely derived from waste cotton”為題，發(fā)表在Science of the Total Environment (DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.166212）上。文章第一作者為西安工程大學(xué)碩士研究生李珍珍，共同第一作者為西安工程大學(xué)余靈婕副教授，通訊作者為西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院支超副教授。感謝國家自然科學(xué)基金、陜西省重點研發(fā)計劃、陜西省創(chuàng)新能力支撐計劃、陜西高校青年杰出人才支持計劃項目等對本工作的大力支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166212

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