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西安工程大學支超團隊 STOTEN：完全由廢棉制備的高效界面太陽能蒸發器

2023-08-19 來源：高分子科技

近年來，隨著工業化的快速發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。為了滿足全球對淡水日益增長的需求，迫切需要開發低成本、高效益的水清潔技術。太陽能是現階段最清潔、最廉價的可再生能源，而界面太陽能蒸發器作為一種利用太陽能驅動水蒸發以生產淡水或處理廢水的裝置，因具有低能耗和環境友好等優點，已成為最重要的水清潔技術之一。然而，目前大多數界面太陽能蒸發器所用光熱材料成本高昂，同時蒸發器的固有結構限制了其更高效的蒸發性能。另一方面，紡織業中產生的大量廢棉及其后續處理對全球環境造成了很大威脅，廢棉的高值化回收再利用面臨挑戰。

近期，西安工程大學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構的高效界面太陽能蒸發器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、冷凍干燥實現廢棉纖維素氣凝膠(CA)，作為太陽能蒸發器的基底材料。此外，通過調整纖維素含量，獲得了具有密度差的分層多孔結構。H-CA-CS上層為大孔CA，結合CMS有利于光吸收并且能夠加快蒸汽逸出；下層為小孔CA，可形成較強的毛細效應，有利于水的快速傳輸。H-CA-CS優越的結構設計使其具有良好的結構穩定性、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境友好型的界面太陽能蒸發器的新方法，并展示了其在海水淡化和廢水處理中的潛在應用。

圖1. H-CA-CS的示意圖

H-CA-CS良好的吸光和連續的供水能力是太陽能蒸汽產生的關鍵因素。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H-CA-CS的溫度穩定在67℃，表明H-CA-CS具有優異的吸光能力。H-CA-CS的水接觸角為0°，且將H-CA-CS放入盛有水的培養皿中，0.6 s內培養皿中的水已經滲透到H-CA-CS表面，表明H-CA-CS能夠對水進行快速運輸和擴散，保證了太陽能蒸汽生成過程中的持續輸水。

圖2. H-CA-CS的水、熱管理

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

圖3. H-CA-CS的蒸發、穩定和耐鹽性能

圖4展示了H-CA-CS的蒸發機理并比較了CS層中大小孔對蒸發性能的影響。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，同時增加了材料內部太陽光的反射，進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層優異的吸光能力和CA層快速的輸水能力協同促進了H-CA-CS的蒸汽生成，提高了H-CA-CS的蒸發性能。

圖4. H-CA-CS的蒸發機理

為了探索H-CA-CS在實際應用中的可能性，使用實驗室自制的凈水裝置收集純凈水，如圖5所示。在室內模擬太陽光條件下對人工海水、重金屬離子和染料廢水進行了凈化。結果表明，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%，符合世界衛生組織（WHO）和美國環境保護署（EPA）制定的淡水標準。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是可持續海水淡化和有效處理廢水的界面太陽能蒸發器。

圖5. H-CA-CS的太陽能水凈化應用

在實際應用中，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海水，結果表明H-CA-CS在真實太陽光照射下的蒸發速率為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在真實環境條件下仍具有優異的凈化能力。

圖6. H-CA-CS的實際應用

相關成果以“An efficient interfacial solar evaporator featuring a hierarchical porous structure entirely derived from waste cotton”為題，發表在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碩士研究生李珍珍，共同第一作者為西安工程大學余靈婕副教授，通訊作者為西安工程大學紡織科學與工程學院支超副教授。感謝國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃、陜西省創新能力支撐計劃、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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（責任編輯：xu）

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