界面蒸發(fā) | Desalination，石榴皮廢料基太陽能蒸發(fā)器

1. 概述

埃及曼蘇拉大學(xué)與美國漢普頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Desalination》發(fā)表研究，以石榴皮廢料為原料，通過 K?CO?活化熱解制備生物炭（BC），結(jié)合石榴皮提取物綠色還原 AgNO?合成銀納米顆粒（Ag NPs），形成 Ag@BC 納米復(fù)合材料再采用低成本銅氨法制備人造絲纖維，將 Ag@BC 嵌入其中并與 PE 泡沫組裝成柔性光熱蒸發(fā)器（Ag@BC-Rayon）。該蒸發(fā)器在1 太陽（1 kW m?2）照射下，蒸發(fā)速率達(dá)1.39 kg m?2 h?1、光熱轉(zhuǎn)換效率85.1%，5 分鐘內(nèi)表面溫度升至 44.0℃；可耐受20% 高鹽溶液且無鹽結(jié)晶，能去除甲基藍(lán)等有機(jī)染料，1 m2 裝置日產(chǎn)能淡水10.2 kg，成本僅32.09 美元 /m2，為低成本、環(huán)保的海水淡化與廢水凈化提供新方案。
2. 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 材料（Materials）

所有化學(xué)試劑均直接用于制備光熱系統(tǒng)，未進(jìn)一步純化。硫酸銅（CuSO?）、碳酸鈉（Na?CO?）、碳酸鉀（K?CO?）、硫酸（H?SO?）、鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH）及氨水（30%）購自 Sigma Aldrich 公司；硝酸銀（AgNO?）與有機(jī)染料購自 Loba Chemie 公司。

2.2 生物炭（BC）的制備（Synthesis of BC）

由于埃及盛產(chǎn)石榴，石榴皮是該國常見的木質(zhì)纖維素廢料。將石榴皮作為碳質(zhì)原料，先用蒸餾水清洗以去除灰塵和污染物，隨后在 80℃下干燥數(shù)天；用電動(dòng)研磨機(jī)將其粉碎后過篩，得到粒徑為 0.16 mm 的顆粒。參考 W. Saadi 等人報(bào)道的方法并稍作修改，采用管式電爐對木質(zhì)纖維素廢料進(jìn)行簡單熱解，同時(shí)用 K?CO?進(jìn)行化學(xué)活化以制備 BC。首先，將 K?CO?活化劑與石榴皮前驅(qū)體在瑪瑙研缽中按 1:1 的質(zhì)量比物理混合；隨后將樣品置于氮?dú)夥諊校?10℃/ 分鐘的升溫速率加熱至 700℃并保溫 1 小時(shí)。熱解后，將得到的黑色粉末用 1.0 mol/L 的鹽酸溶液沖洗，離心收集后用蒸餾水洗滌，以去除殘留的活化劑及堵塞孔隙的無機(jī)物。

2.3 石榴皮提取物的制備（Preparation of Punica granatum extract）

首先，剝?nèi)∈衿ぃ谜麴s水沖洗以去除灰塵和雜質(zhì)，隨后再用蒸餾水洗滌兩次；將石榴皮置于常規(guī)烘箱中 60℃干燥，并用研缽研磨。之后，取 10.0 g 研磨后的石榴皮，與 100 mL 乙醇 - 水混合液（體積比 1:1）混合，超聲處理 1 小時(shí)；在 90℃下攪拌 10 小時(shí)后，將混合液在室溫下靜置 24 小時(shí)；最后通過濾紙過濾得到棕色濾液，置于冰箱中備用。

2.4 Ag@BC 納米復(fù)合材料的制備（Synthesis of Ag@BC nanocomposite）

將 1.0 g 制備好的 BC 在 50 mL 蒸餾水中超聲分散 30 分鐘，得到 BC 懸浮液；隨后將 0.078 g 硝酸銀（AgNO?）溶解于 10 mL 蒸餾水中，并將該溶液加入上述 BC 懸浮液中，再逐滴加入 2 mL 石榴皮提取物；將混合液置于暗室中攪拌 48 小時(shí)，以減少 AgNO?的光活化；通過離心分離得到沉淀物，用蒸餾水反復(fù)洗滌后，在常規(guī)烘箱中 60℃干燥。

制備純 Ag NPs 時(shí)，將石榴皮提取物逐滴加入 AgNO?溶液中，在暗室中攪拌；溶液顏色從無色變?yōu)辄S色，隨后變?yōu)樽厣砻?Ag NPs 已成功生成；通過離心分離 Ag 沉淀物，用蒸餾水洗滌后，在 60℃下烘干過夜。

2.4.1 人造絲纖維的制備（Synthesis of rayon fibers）

采用銅氨法（Cupra process）制備人造絲，該方法通過纖維素類化合物與銅和氨水反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為人造絲。首先，在磁力攪拌下，將 51.0 g 硫酸銅（CuSO?）溶解于 200 mL 蒸餾水中，制備硫酸銅溶液；在另一燒杯中，將 19.2 g 碳酸鈉（Na?CO?）溶解于 100 mL 蒸餾水中，隨后在劇烈攪拌下將該溶液逐滴加入上述硫酸銅溶液中；將得到的綠色混合液在攪拌下維持 pH 7-8，保溫 1 小時(shí)；通過過濾收集藍(lán)綠色沉淀物，用蒸餾水洗滌數(shù)次后，在 80℃烘箱中干燥。硫酸銅與碳酸鈉溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式如式（1）所示：

在 250 mL 燒杯中，將 2.9 g 堿式碳酸銅（Cu?(OH)?CO?）加入 30 mL 30% 氨水中，攪拌至形成深藍(lán)色均勻溶液，得到碳酸銅飽和溶液；隨后將約 1.0 g 棉花分少量多次加入該藍(lán)色溶液中，直至棉花完全溶解；去除溶液中未溶解的棉花殘?jiān)玫匠吻宓乃{(lán)色溶液。纖維素溶解后，用注射器抽取少量藍(lán)色溶液；由于纖維素在酸性介質(zhì)中可再生為人造絲纖維，因此將溶液通過針頭緩慢注入硫酸溶液中，形成藍(lán)色纖維；將纖維在硫酸中浸泡約 30 分鐘，直至變?yōu)闊o色，隨后用蒸餾水洗滌數(shù)次。

制備黑色人造絲纖維（Ag@BC - 人造絲）時(shí)，通常將 0.5 g Ag@BC 納米復(fù)合材料加入施魏策爾試劑（Schweitzer's cellulosic reagent，銅氨纖維素溶液）中，后續(xù)操作與上述制備純?nèi)嗽旖z纖維的步驟一致。

2.5 太陽能蒸汽發(fā)生實(shí)驗(yàn)（Solar steam generation experiments）

為評估制備的光熱器件的質(zhì)量損失與蒸發(fā)通量，將裝有 150 mL 水的玻璃容器置于制備的光熱系統(tǒng)下方；該光熱系統(tǒng)包含一個(gè)圓柱形蒸發(fā)器（直徑 5.0 cm、厚度 0.5 cm），并將其放置在已校準(zhǔn)的電子天平上，以實(shí)時(shí)記錄水的質(zhì)量損失。通過疏水 PE 泡沫的外部支撐，將黑色人造絲纖維均勻分布在表面，以最大限度減少傳導(dǎo)熱損失 —— 光熱系統(tǒng)與水直接接觸會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)熱損失，進(jìn)而影響 ISSG 器件的光熱轉(zhuǎn)換能力，而 PE 泡沫作為隔熱材料可顯著提升 Ag@BC - 人造絲織物的蒸發(fā)效率。此外，在光熱吸收體下方分布棉芯，借助微通道的毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)水向表面的均勻傳輸。為便于理解，圖 S2 中給出了器件的工作原理示意圖。在使用集成膜進(jìn)行脫鹽前，還對鹽水中初始存在的四種主要離子（Na?、Mg2?、K?、Ca2?）的濃度進(jìn)行了測量與模擬；同時(shí)用紅外相機(jī)測量集成膜上表面的溫度變化與熱量局域化情況。

3. 圖文導(dǎo)讀

圖1.合成示意圖：(a) 嵌入人造絲纖維且負(fù)載于 PE 泡沫表面的 Ag@BC 納米復(fù)合材料；(b) 利用石榴皮提取物合成銀納米顆粒（Ag NPs）的推測機(jī)制

圖2.掃描電子顯微鏡（SEM）圖像：(a) 合成后的生物炭（BC）；(b、c、g) Ag@BC 納米復(fù)合材料；(d) 人造絲纖維；(e、f) 嵌入人造絲纖維的 Ag@BC；(h-l) 各元素（C、O、Ag、N）的元素分布圖；(m、n) 透射電子顯微鏡（TEM）圖像；(o) 制備的納米復(fù)合材料中 Ag NPs 的對應(yīng)粒徑分布

圖3.(a) 制備的納米復(fù)合材料的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）；(b) X 射線衍射（XRD）圖譜；Ag@BC 納米復(fù)合材料的高分辨 X 射線光電子能譜（HR-XPS）：(c) C 1s；(d) O 1s；(e) N 1s；(f) Ag 3d；(g) 太陽光譜與紫外 - 可見 - 近紅外（UV-vis-NIR）吸收光譜；(h) 接觸角；(i) 人造絲纖維在 2 分鐘內(nèi)對亞甲基藍(lán)（MB）溶液的傳輸效果

圖4.(a) 自來水、(b) 模擬鹽水（3.5%）中的質(zhì)量損失；(c) 蒸發(fā)速率與效率；(d) 不同制備的界面太陽能蒸汽發(fā)生（ISSG）系統(tǒng)在 1 倍太陽光照射下 60 分鐘（濕潤狀態(tài)）的紅外（IR）圖像；(e) 制備的光熱系統(tǒng)在濕潤狀態(tài)下的表面溫度變化；(f) Ag@BC - 人造絲系統(tǒng)在 1 倍太陽光照射 1 小時(shí)的熱紅外圖像；(g) 不同鹽濃度鹽水下的效率；(h) 常規(guī)條件下脫鹽過程的實(shí)物圖像

圖5.(a) 制備的光熱器件在無鹽和有鹽條件下 10 次循環(huán)的長期可循環(huán)性；(b) 脫鹽前后硬金屬離子濃度；(c) 冷凝水的 pH 值；(d) 1 倍太陽光照射下有機(jī)染料冷凝前后的紫外 - 可見光譜；使用 Ag@BC - 人造絲光吸收體在真實(shí)太陽光下的戶外實(shí)驗(yàn)（記錄時(shí)間 7:00-19:00）：(e) 蒸發(fā)效率（紅紫色柱）與質(zhì)量損失（黑色線）；(f) 太陽強(qiáng)度（紅橙色柱）與表面溫度變化（黑色線）；(g) 真實(shí)太陽光照射 1 小時(shí)脫鹽實(shí)驗(yàn)前后光吸收體的實(shí)物圖像

4. 結(jié)論

以石榴皮廢料為核心原料，先經(jīng)清洗粉碎、K?CO?活化熱解（700℃氮?dú)夥諊┲贫嗫咨锾浚˙C），再用石榴皮提取物（多酚類物質(zhì)）綠色還原 AgNO?，合成銀納米顆粒（Ag NPs）并負(fù)載于 BC 表面得 Ag@BC 復(fù)合材料；將其嵌入銅氨法制備的人造絲纖維，結(jié)合 PE 泡沫（隔熱 + 漂浮）與棉芯（毛細(xì)輸水），制成柔性光熱蒸發(fā)器。

該蒸發(fā)器 1 太陽下蒸發(fā)速率 1.39 kg m?2h?1、效率 85.1%，耐受 20% 高鹽無結(jié)晶，海水離子去除率 99%、染料廢水凈化率近 100%，成本僅 32.09 美元 /m2，1m2 日產(chǎn)能 10.2kg 淡水，為低成本環(huán)保的海水淡化與廢水處理提供新方案。

-小編介紹-

2020年博士畢業(yè)，現(xiàn)就職于一所地方高校，主講《 物理化學(xué)》課程。

專注→低成本功能材料開發(fā)，包括纖維素，疏水/親水材料，碳材料，聚氨酯材料的開發(fā)與應(yīng)用，歡迎合作，資助，交流。

郵箱：xidsuo@126.com

愛折騰、愛學(xué)習(xí)、有一顆好奇的心，知上進(jìn)，懂感恩的科學(xué)工作者。

愿望是擁有足夠的科研經(jīng)費(fèi)按自己喜歡的方式折騰！