西安工程大学支超团队 STOTEN：完全由废棉制备的高效界面太阳能蒸发器

2023-08-19 来源：高分子科技

近年来，随着工业化的快速发展和世界人口的增多，水污染和饮用水短缺成为全球性问题。为了满足全球对淡水日益增长的需求，迫切需要开发低成本、高效益的水清洁技术。太阳能是现阶段最清洁、最廉价的可再生能源，而界面太阳能蒸发器作为一种利用太阳能驱动水蒸发以生产淡水或处理废水的装置，因具有低能耗和环境友好等优点，已成为最重要的水清洁技术之一。然而，目前大多数界面太阳能蒸发器所用光热材料成本高昂，同时蒸发器的固有结构限制了其更高效的蒸发性能。另一方面，纺织业中产生的大量废棉及其后续处理对全球环境造成了很大威胁，废棉的高值化回收再利用面临挑战。

近期，西安工程大学支超团队报道了一种完全来自废棉再生的具有分层多孔结构的高效界面太阳能蒸发器H-CA-CS，如图1所示。具体来说，废棉通过水热碳化制备成碳微球(CMS)，作为H-CA-CS的光热材料；通过碱尿溶解、溶胶凝胶、冷冻干燥实现废棉纤维素气凝胶(CA)，作为太阳能蒸发器的基底材料。此外，通过调整纤维素含量，获得了具有密度差的分层多孔结构。H-CA-CS上层为大孔CA，结合CMS有利于光吸收并且能够加快蒸汽逸出；下层为小孔CA，可形成较强的毛细效应，有利于水的快速传输。H-CA-CS优越的结构设计使其具有良好的结构稳定性、快速输水能力且能够高效淡化海水。本研究提出了一种相对低成本和环境友好型的界面太阳能蒸发器的新方法，并展示了其在海水淡化和废水处理中的潜在应用。

图1. H-CA-CS的示意图

H-CA-CS良好的吸光和连续的供水能力是太阳能蒸汽产生的关键因素。如图2所示，H-CA-CS的吸光率为96.1%，且在1个太阳照射下，干态H-CA-CS的温度稳定在67℃，表明H-CA-CS具有优异的吸光能力。H-CA-CS的水接触角为0°，且将H-CA-CS放入盛有水的培养皿中，0.6 s内培养皿中的水已经渗透到H-CA-CS表面，表明H-CA-CS能够对水进行快速运输和扩散，保证了太阳能蒸汽生成过程中的持续输水。

图2. H-CA-CS的水、热管理

为了从整体上研究H-CA-CS在太阳能驱动下的蒸发性能和分级多孔结构的独特优势，在这里评估了H-CA-CS的蒸发、稳定和耐盐性能。如图3所示，在1个太阳下，H-CA-CS的水蒸发速率和效率分别为1.68 kg m^-2 h^-1和90.6%。此外，H-CA-CS还表现出长期稳定的太阳能蒸汽生成行为（1.61 kg m^-2 h^-1）和优异的盐自溶性。

图3. H-CA-CS的蒸发、稳定和耐盐性能

图4展示了H-CA-CS的蒸发机理并比较了CS层中大小孔对蒸发性能的影响。CS层孔径大、表面不平整和碳微球（CMS）的加入减少了太阳光在表面的反射，同时增加了材料内部太阳光的反射，进一步延长了入射光路，从而使CS层迅速升温，提高了能效。CA层的小孔径增强了毛细力，且含有较多的亲水基团，保证了H-CA-CS充足的供水量。此外，孔径较大的CS层比孔径较小的CA层具有更高的光吸收和蒸汽逃逸能力。因此，CS层优异的吸光能力和CA层快速的输水能力协同促进了H-CA-CS的蒸汽生成，提高了H-CA-CS的蒸发性能。

图4. H-CA-CS的蒸发机理

为了探索H-CA-CS在实际应用中的可能性，使用实验室自制的净水装置收集纯净水，如图5所示。在室内模拟太阳光条件下对人工海水、重金属离子和染料废水进行了净化。结果表明，脱盐前后人工海水中四种主要离子（Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺）的去除率均超过99.6%，符合世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）制定的淡水标准。H-CA-CS对废水中的Mn²⁺、Co²⁺、Cu²⁺和Cr³⁺等各种重金属离子具有良好的去除效果，其中Mn²⁺的去除率更达到100%。此外，从染料污染水（MB和MO）收集的淡水变得无色，MO和MB的特征吸收峰完全消失。表明H-CA-CS是可持续海水淡化和有效处理废水的界面太阳能蒸发器。

图5. H-CA-CS的太阳能水净化应用

在实际应用中，在室外放置了自制太阳能水净化装置，如图6所示。研究选取了来自中国渤海和东海的海水作为蒸发海水，结果表明H-CA-CS在真实太阳光照射下的蒸发速率为1.41 kg m^-2 h^-1，且处理前后海水中所有离子的去除率均在99%以上，证明了HCA-CS在真实环境条件下仍具有优异的净化能力。

图6. H-CA-CS的实际应用

相关成果以“An efficient interfacial solar evaporator featuring a hierarchical porous structure entirely derived from waste cotton”为题，发表在Science of the Total Environment (DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.166212）上。文章第一作者为西安工程大学硕士研究生李珍珍，共同第一作者为西安工程大学余灵婕副教授，通讯作者为西安工程大学纺织科学与工程学院支超副教授。感谢国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省创新能力支撑计划、陕西高校青年杰出人才支持计划项目等对本工作的大力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166212

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（责任编辑：xu）

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