WATER RES|用于长期耐盐太阳能脱盐的核壳结构超疏水砂蒸发器

研究背景

在现代社会的发展过程中，淡水危机成为一个严重的全球性问题。为了缓解清洁水的短缺，太阳能蒸汽代(SVGs)已经展示了开发生态友好型淡水收集的令人兴奋的机会。如今，光热材料如膜、气凝胶、水凝胶、生物质材料、碳基泡沫和等离子体纳米粒子等的开发已经投入了巨大的努力。同时，通过界面蒸发器的设计，可以实现蒸发面高度局部化的光热加热，最大限度地利用太阳能，抑制热量散失给大宗水。然而，由于盐积累的增加，大多数现有光热材料的太阳能脱盐性能受到限制。在蒸发过程中，结晶盐本身就容易堵塞SVGs的微通道，从而影响阳光的吸收，破坏水分的输送，导致蒸发性能急剧恶化，最终导致SVGs系统停止运行。为了实现稳定蒸发，人们提出了各种尝试，如机械运动和力驱动流体流动，以增强离子迁移。此外，最近设计了各种超疏水蒸发器，通过调节光热层中的水输送来应对这一挑战。此外，为了提高太阳能海水淡化的耐盐能力，还构建了Janus蒸发器。虽然已经提出了许多提高耐盐能力的策略，但它们通常仅在低盐度条件下和低光强或自然光强下可用。罕见的研究报道了一种稳定的蒸发器，用于在高光照下抵抗高盐度的盐积累。此外，构建具有高耐环境腐蚀能力的光热SVGs系统仍然是长期循环蒸发的关键问题。

本文通过设计和优化核壳结构，提出了一种超疏水砂太阳能蒸发器(FPPSD)。蚀刻砂(SD)颗粒的粗糙表面为后续功能化提供了足够的活性位点。此外，丰富的亲水性官能团使其具有吸引水的能力。此外，SD可以自发形成具有可配置形状的微米级孔隙，并产生理想的毛细管相互作用，这可以作为SVGs的有效泵送通道。此外，实验和理论模拟表明，聚多巴胺(PDA)可以牢固地锚定在沙表面，并通过π-π共轭和多重氢键效应作为聚吡啶(PPy)与1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTS)之间的有效粘合剂。此外，原砂具有来源广、价格低的优点，对实际应用非常有利。因此，获得的FPPSD蒸发器在3次太阳照射下，即使在10 wt%的盐水溶液中连续蒸发96小时而没有任何盐结晶，也表现出优异的光热蒸发性能和耐盐能力。此外，该新型FPPSD蒸发器具有出色的环境稳定性，即使在强酸强碱、湿酸、葡萄糖、牛血清白蛋白系统等恶劣条件下运行30天后，也能保持良好的输水能力。我们希望这项工作能够为可持续的太阳能驱动海水淡化提供一种具有优异耐盐能力和稳定环境稳定性的创新蒸发器设计。

相关成果以“Superhydrophobic sand evaporator with core-shell structure for long-term salt-resistant solar desalination”为题发表在国际知名期刊《Water Research》(JCR一区，中科院一区TOP，IF=12.8)上。

研究结论

新兴的太阳能驱动界面海水淡化为解决全球淡水危机提供了一个机会。然而，盐的积累不可避免地阻塞了蒸汽蒸发的通道。它减少了太阳能吸收器的使用周期，导致蒸发性能和长期稳定性的恶化。本研究通过π-π共轭和多重氢键效应，将PDA、PPy和PFDTS在沙表面进行功能化，构建了一种新型的FPPSD蒸发器。一方面，砂土的特定集体行为可以产生理想的毛细力，以提供有效的抽水通道。引入低表面自由能的PFDTS，使FPPSD具有优异的耐盐性能。 同 时，巧妙地设计了FPPSD的核壳结构，以控制微级水运，提高环境稳定性。 在水蒸气管理和核壳系统的作用下，FPPSD蒸发器在3日光照下连续照射96 h，即使在10 wt%的盐水中，其表面也没有盐积累，表现出卓越的耐盐性能。 此外，该FPPSD蒸发器表现出出色的环境稳定性，即使在恶劣的操作条件下处理30天后，也能保持其初始的核壳结构、润湿性和水输送能力。 此外，室外实验证明了其集水能力和良好的耐盐能力。 FPPSD蒸发器具有优异的耐盐性和稳定的环境稳定性，该设计将为可持续太阳能驱动的海水淡化提供一个有吸引力的平台。

研究数据

方案1。用于增强太阳界面光热蒸发的核壳结构超疏水砂蒸发器示意图。(a)多巴胺、PPy和PFDTS通过π-π共轭和多重氢键效应功能化。(b)通过氢氧化钠和多巴胺预处理，以及PPy和PFDTS的功能化对砂颗粒的界面改性。(c)超疏水FPPSD蒸发器连续光热蒸发的耐盐机理。

图1所示。(a)SD、PDSD及FPPSD的照片(由左至右)。(b) SD、PDSD和FPPSD的SEM图像(分别插入SD、PDSD和FPPSD的WCA)。(c)具有自组织孔隙的SD聚集体的直径分布。(d) SD、PDSD和FPPSD的XPS结果。

图2所示。(a) FPPSD颗粒的F1s谱图。(b) FPPSD的C1s谱图。(c) FPPSD的N1s谱图。(d) FPPSD中PPy和PDA链分子间作用力的MD模拟过程，其中绿色、红色、蓝色、粉色和白色原子分别代表C、O、N、F和H元素。(e) FPPSD中PPy和PDA链分子间作用力的MD模拟结果。白色、蓝色、红色、黄色、灰色和紫色原子分别代表H、N、O、F、C和Si元素。(f) FPPSD中PPy和PDA链的氢键数的MD模拟。(g) SD、FPPSD和FPYSD的拉曼光谱。(g) PPSD、FPPSD和FPYSD的拉曼光谱。

图3所示。(a) SD、PDSD和FPPSD(波长400~2500 nm)与标准AM 1.5 G光谱滤光片(灰色)的紫外-可见-红外吸收光谱对比。(b)同一太阳照射下不同质量FPPSD的红外热像图。(c)同一太阳下不同质量的水和FPPSD的温度曲线。(d)不同质量的FPPSD在一个太阳下对纯水的蒸发速率。(e) 3.5 wt% s盐水1次照射下FPYSD - 1g和FPPSD - 1g的循环光热质量变化。(f)一次太阳照射下3.5 wt% s咸水的FPPSD光热转换和蒸发效率计算结果。(g)FPPSD- 1g在1次太阳照射下的热损失机理示意图。(h)在一次太阳照射下，FPPSD-1 g对不同浓度盐水的蒸发速率。

图4所示。(a)在一个太阳下，FPPSD-1 g对3.5 wt%盐水的循环蒸发。(b)在3.5 wt%的盐水中，FPPSD-1 g在一个太阳下蒸发前后模拟海水中的离子含量。(c)不同光照下，FPPSD-1 g在10%盐水中的蒸发速率。(d) FPPSD-1 g在10wt %盐水中的照片，以及3次太阳照射下的盐吸收过程。(e)在3次太阳照射下，FPPSD-1 g和PPSD-1 g在10%盐水中的连续蒸发速率。(f) 3次太阳照射下，FPPSD-1 g在10%盐水中的连续蒸发性能。(g) FPPSD-1的TG和DTG曲线。(h)以往不同蒸发量的比较和本工作对其耐盐性能的比较。

图5所示。(a)原始FPPSD和处理后FPPSD在NaOH (pH=14)、H2SO4 (pH=0)、BSA (1 wt%)、葡萄糖(5 wt%)和HA (1 wt%)等不同条件下的SEM图像和相应的放大图像。(b)不同条件下原始FPPSD和处理后FPPSD的WCA。(c) NaOH (pH=14)和H2SO4 (pH=0)处理30天后FPPSD蒸发器的光热蒸发性能。(d) BSA (1 wt%)、葡萄糖(5 wt%)和HA (1 wt%)处理30天后FPPSD蒸发器的光热蒸发性能。(e)室外温度和光强(f)在室外蒸发和收集的水量。(g、h)室外光热蒸发实验。

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121290

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