美国东北大学郑义教授课题组：“变废为宝：牛粪遇见太阳，于是产生了纯净水”，一步碳化法制备稳定且可循环利用的太阳能光热蒸发器

日益严重的水污染和地下水开采正在使水资源变得稀缺。全世界约有四分之一的人生活在水资源紧张的地区，无法获得足够的净化水。从海水或污水中产生水需要在化学、物理和材料方面进行系统性优化。最近，基于生物质的太阳能驱动的水净化越来越受到关注。牛粪是一种主要由水和纤维素组成的有机物质，是一种丰富的生物质能源，通常在农业上用作有机肥或生物质燃料前体。随机分散的纤维素纤维网络在牛粪内部形成渗透的大孔，提供天然的保水能力。

受牛粪自然特性的启发，我们提出碳化牛粪作为高效和可持续的光热水蒸发材料，并展示了一种具有光捕获、快速泵水和高效脱盐的海水淡化模型。 碳化牛粪的表面具有 0.98 的太阳能吸收率，这是由于阳光在随机排布的碳纤维内部的多次反射从而实现的光捕捉。由于固有的超亲水性，强大的毛细作用将水迅速泵送到蒸发界面。热导率低的碳化牛粪有效减少热量向下扩散到底部海水。这些特征在 使得碳化牛粪在1 个太阳辐照度下产生 2.81 kg m^-2h^-1的蒸发速率。此外，碳纤维微通道可有效防止盐分积累并确保快速排盐，使得碳化牛粪在高盐度水（15 wt% NaCl溶液）中的蒸发速率为 2.25 kg m^-2h^-1。我们一步碳化法加工的 牛粪蒸发器原型在高酸/碱度（pH 值，1-13），沸腾和超声波水中的恶劣环境中仍然非常坚固。经过长时间的运行，碳化牛粪蒸发器可以重新回收利用。碳化牛粪蒸发器的原材料成本为零，耗电量为 1.32 m^-2美元，使其在大规模实施方面具有竞争力。基于碳化牛粪的蒸发器显示了一种有前途的方法，可以在高蒸发率、简单制作、成本效益和易于部署之间实现平衡。碳化牛粪蒸发器的原材料在世界范围内具有丰富的可得性和可持续性，并且碳化的加工方法成熟且具有相对低的成本效益，可促进太阳能海水淡化的可扩展部署。

研究内容：

图 1. 碳化牛粪太阳能光热蒸发器的概念、制造方法和高效的太阳能海水淡化机制。(A) 碳化牛粪蒸发器的制造过程。(B) 解释碳化牛粪蒸发器工作机理的示意图：相互连接的开放微通道作为泵送海水的水传输通道将海水输送到蒸发界面，超黑表面作为光热转换层将太阳能转化为热量。(C) 碳化牛粪的光吸收机理示意图：微通道充当 “光学黑腔” 捕捉入射的太阳光（左上）；多孔牛粪的低热导率锁住热量，从而快速产生蒸汽（右上）；随机排列的黑色碳纤维形成微通道以泵送海水（左下）；盐分的扩散是通过碳化牛粪蒸发器顶部和底部区域之间的盐浓度梯度驱动并输送至下方的海水（右下）。(D) 碳化牛粪蒸发器融入人们生活的示意图，可扩展用于工业生产。

图 2. (A) 碳化牛粪的机械强度、光学特性和热学特性。(A) 干牛粪（左）和 碳化牛粪（右）的照片。 (B和 C) 干牛粪和碳化牛粪在不同碳化温度下的 (B) FTIR和 (C) XRD光谱。红色圆圈代表纤维素的XRD光谱峰。(D) 碳化牛粪的吸收光谱。(E) 碳化牛粪在不同入射角的太阳吸收率。(F) 干牛粪和碳化牛粪在不同碳化温度下的密度和孔隙率。 (G 和 H) SEM图像：碳化牛粪 (G) 顶视图和 (H) 侧视图。(I) 碳化牛粪的动态接触角测量。(J) 高速相机下碳化牛粪的快速吸水特性。

图 3. 红外热像仪下碳化牛粪太阳能蒸发器的光热响应。(A-C) 红外热像显示纯水、干燥的碳化牛粪和供水充足的碳化牛粪的温度分布。(D) 1 个太阳和 (E) 各种太阳辐照度下纯水、干牛粪和碳化牛粪的连续温度变化。

图 4. 碳化牛粪太阳能蒸发器的实验装置和蒸发性能测试。(A) 碳化牛粪蒸发实验装置示意图。(B) 碳化牛粪蒸发器在 5 个太阳辐照度下产生蒸汽的照片。 红色圆圈表示产生的蒸汽的扩散区域。(C) 纯水、干牛粪和碳化牛粪在 1 kW m^-2太阳辐照度下的水蒸发质量变化。(D) 碳化牛粪蒸发器在 1 个太阳下长时间循环下的蒸发速率和效率。(E) 碳化牛粪蒸发器在不同光照强度下的蒸发速率。(F) 碳化牛粪的表面形态图，证明了碳化过程能够有效增加蒸发面积。(G) 纯水和碳化牛粪蒸发器在黑暗环境中12 小时的质量变化。(H) 干牛粪、碳化牛粪和纯水的DSC 热谱图。(I) 碳化牛粪蒸发器与先前报道设备之间的水蒸发速率和效率对比。

图 5. 碳化牛粪太阳能光热蒸发器的海水淡化、脱盐和回收能力。(A) 碳化牛粪蒸发器在不同盐度水中的水蒸发质量变化。(B) 碳化牛粪蒸发器在 1、5、7、10、10 和 15 kW m^-2下的蒸发速率。(C) 碳化牛粪蒸发器在 10 个太阳下 连续工作6 小时后的顶视图和侧视图。(D) 使用 3.5 wt% NaCl 溶液和 7 g NaCl 的排盐实验，证明了碳化牛粪蒸发器的盐扩散功能。(E) 碳化牛粪蒸发器经过长时间浸泡在15 wt% NaCl 溶液后的蒸发速率。(F) 原始碳化牛粪蒸发器和回收的蒸发器在1个太阳下的质量变化。(G) 碳化牛粪和回收的牛粪的 FTIR 光谱。(H) 海水淡化前后的盐度对比。(I) 碳化牛粪蒸发器在各种恶劣环境下处理后的太阳能吸收率：0、原始碳化牛粪； 1、pH=1溶液浸泡24小时； 2、pH=13溶液浸泡24小时； 3、95℃水中浸泡2小时； 4、超声波处理1h； 5、在15wt%的NaCl溶液中浸泡14天； 6，在 10 kW m^-2太阳辐照度下连续工作 6 小时。(J) 分别使用纯水和 3.5 wt% NaCl 溶液的平面碳化牛粪蒸发器和 三维半球碳化蒸发器的质量变化。

论文信息：

Yanpei Tian, Xiaojie Liu, Jiansheng Li, Yichen Deng, Joseph A. DeGiorgis, Shiyu Zhou, Andrew Caratenuto, Marilyn L. Minus, Yinsheng Wan, Gang Xiao, and Yi Zheng, “Farm-waste-derived recyclable photothermal evaporator”, Cell Reports Physical Science, 2,100549, September 22, 2021。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100549

来源：高分子科学前沿

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