- 南京大學(xué)高冠道教授團(tuán)隊(duì)AFM: 一種用于自清潔脫鹽和有機(jī)降解的浮動(dòng)集成太陽能微蒸發(fā)器
- 發(fā)布日期：2023-04-12
由于人類用水量的不斷增加，全球淡水資源分布不均，充足的淡水資源供應(yīng)面臨很大挑戰(zhàn)。最近，水處理/收集技術(shù)提供了一種替代解決方案，可以從各種水源（包括海水、地下水、污水甚至空氣）中提取淡水。太陽能熱界面水蒸發(fā)是一種很有前途的環(huán)保水處理技術(shù)，可同時(shí)收集清潔水和綠色太陽能。研究者一直致力于實(shí)現(xiàn)太陽能蒸汽高產(chǎn)生率和能量轉(zhuǎn)換效率，包括開發(fā)高效的太陽能吸收器，構(gòu)建合水調(diào)節(jié)架構(gòu)和熱管理。然而，現(xiàn)有的太陽能熱水蒸發(fā)器面臨兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：有機(jī)污染和鹽垢/污垢。例如，同時(shí)蒸發(fā)導(dǎo)致蒸餾水中的 揮發(fā)有機(jī)化合物（VOC）濃度更高，而非VOC仍集中在原水中，導(dǎo)致二次污染。此外，由于水蒸發(fā)得非常快，鹽或非揮發(fā)性溶質(zhì)將被留下，它們會(huì)在太陽能吸收器的蒸發(fā)部位積聚和/或結(jié)晶。鹽/溶質(zhì)的積累或結(jié)垢會(huì)阻擋陽光、水傳輸通道和蒸汽逸出，導(dǎo)致太陽能蒸發(fā)器的性能快速衰減。因此，非常需要利用太陽能驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有機(jī)降解和完全太陽能脫鹽的協(xié)同耦合。
光催化是另一種太陽能界面過程，可以與光熱過程自然結(jié)合以去除有機(jī)污染物。值得注意的是，光催化具有無需添加昂貴的氧化劑作為高級(jí)氧化技術(shù)和有機(jī)物完全降解的獨(dú)特優(yōu)勢。然而，在開發(fā)多功能太陽能系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)光降解和太陽能海水淡化之間的功能協(xié)同作用方面仍然存在重大挑戰(zhàn)：1）豐富的界面反應(yīng)位點(diǎn)可有效光降解有機(jī)物，其中光催化作用發(fā)生在光可用界面，2）高太陽能吸收能力用于太陽能熱蒸發(fā)，3）足夠的傳輸路徑以持續(xù)供水。最近報(bào)道的用于含有機(jī)鹽廢水再生的光催化太陽能蒸發(fā)器嚴(yán)重遭受嚴(yán)重的鹽垢、污垢和蒸發(fā)過程中相對(duì)緩慢的降解速率。在這方面，具有智能自旋轉(zhuǎn)的漂浮式微型蒸發(fā)器系統(tǒng)可以在太陽能蒸汽發(fā)電過程中實(shí)現(xiàn)自清潔淡化。
在此，南京大學(xué)高冠道教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》發(fā)文“A Floating Integrated Solar Micro-Evaporator for Self-Cleaning Desalination and Organic Degradation”。這項(xiàng)研究提出了一種浮動(dòng)多功能微蒸發(fā)器系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)太陽能完全脫鹽和有機(jī)降解的協(xié)同耦合。 多孔聚苯乙烯 (PS) 微珠具有超輕、疏水性和隔熱性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為自然漂浮在水面上的有前途的宿主，可最大限度地減少太陽能熱傳導(dǎo)蒸發(fā)。石墨氮化碳（g-C3N4）因其適合可見光響應(yīng)的帶隙和高化學(xué)/熱穩(wěn)定性而被選為光催化劑。黑色聚苯胺（PANI）具有多種作用，主要包括：1) 作為有效的粘合劑和增強(qiáng)劑，將g- C3N4催化劑結(jié)合到 PS主體表面，從而實(shí)現(xiàn)親水漂浮系統(tǒng)，2）作為太陽能吸收劑，廣泛的太陽光譜吸收以實(shí)現(xiàn)高光熱轉(zhuǎn)換效率，3）作為助催化劑形成g- C3N4@PANI，用于光催化過程中的快速電子轉(zhuǎn)移。在這種合理的設(shè)計(jì)中，一方面自清潔脫鹽能力可以保持微蒸發(fā)器表面清潔，避免鹽分堵塞，有利于光催化反應(yīng)位點(diǎn)的吸光和曝光；另一方面，自清潔旋轉(zhuǎn)將微蒸發(fā)器的上清潔表面變成散裝水重新吸附污染物，而帶有污染物的蒸發(fā)器底部則轉(zhuǎn)向上表面并暴露出來進(jìn)行光催化。此外，通過光熱轉(zhuǎn)換提高溫度可以促進(jìn)光催化，污染物的同時(shí)降解實(shí)現(xiàn)了脫鹽后清潔水的收獲，減少了殘留鹽水中的有機(jī)污染。對(duì)獲得的g-C3N4@PANI/PS MSES進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同清潔水生產(chǎn)、高鹽度鹽水分離的自清潔耐鹽性和有機(jī)降解。
