CEJ | 文献前沿 | 光热蒸发和重金属吸附协同的柔性蒸发器

【研究背景】

太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）由于其低成本、无环境友好和可持续性，在获取淡水方面很有前景；然而，在SDIE期间实现高效的重金属离子去除是期望的但仍然困难的。该文通过在聚合物纤维表面组装碳纳米纤维（CNF），然后对聚多巴胺（PDA）进行改性，开发了一种超亲水、可拉伸的纳米纤维复合太阳能蒸发器。蒸发速率高达1.456 kg m−2 h−1，蒸发效率达91.40%。PDA的官能团赋予纳米纤维复合材料良好的重金属离子吸附性能，这被证明是一个吸热过程，SDIE可以诱导界面温度和局部离子浓度的升高，从而促进Cr（VI）的吸附。另一方面，由于蒸发装置强大的水输送能力，NaCl离子能够在没有盐沉淀的情况下扩散到体内水中。双Cr（VI）吸附和NaCl离子扩散通道确保同时高效去除Cr（Ⅵ）和海水界面蒸发。SDIE加速重金属离子吸附和双离子通道模型为设计用于废水净化的多功能太阳能蒸发器材料提供了灵感。

目前，该文以“Flexible nanofiber composite solar evaporator for simultaneous interfacial evaporation and heavy metal ion adsorption”为题在《Chemical Engineering Journal》（JCR: Q1, Top, IF2023=13.3）上发表。文章通讯作者为扬州大学高杰峰教授和薛怀国教授。

【文章解读】

图1. a）PCPNC的制备和（b）用于同时界面蒸发和Cr（VI）吸附的蒸发器的示意图。

图2. PCPNCs蒸发器的太阳能驱动界面蒸发性能。（a）装置原理图。（b） 1.0 sun，海水质量随蒸发时间的变化及（c）相应的蒸发速率和蒸发效率。（d） 在有和没有PCPNC-6太阳能吸收器的情况下，在0.5、1、2的光照射下，海水的质量变化和（e）蒸发速率和蒸发效率随蒸发时间的变化。（f） 在3.5%、10%和20%盐度的海水中的蒸发率和效率。（g） 在1个太阳光照下，PCPNC-6表面盐颗粒的溶解过程。（h） 10个蒸发循环的蒸发速率（每个循环5小时）。（i） PCPNC-6与其他基于2D纤维材料的蒸发器的蒸发速率和效率的比较。（j） 用于室外试验的PCPNC-6蒸发装置的照片（左）和蒸发前后的水阻力（右）。（k） 海水和收集的淡水中四种离子（Na+、Mg2+、k+、Ca2+）的浓度。（l） PCPNCs蒸发装置在自然太阳光照下15天的每日产水量。

图3. PCPNCs对重金属离子的吸附性能。（a） 三组PCPNCs对Cr（VI）的吸附动力学。（b）一阶和（c）拟二阶动力学模型的拟合图。（d）不同初始离子浓度下的吸附能力和去除率。（e）Langmuir等温线和（f）Freundlich等温线模型的非线性拟合图。（g, h）PCPNC-6吸附Cr（VI）后的N1 s峰拟合。（i） PCPNC-6的重金属吸附机理示意图。

图4. 同时界面蒸发和Cr（VI）吸附的纳米纤维复合太阳能蒸发器的双通道示意图

【文章总结】

该文将碳纳米纤维修饰到电纺PU纳米纤维上并随后对PDA进行改性，制备了可拉伸的PCPNCs。CNFs不仅显著提高了光吸收能力，而且显著提高了纳米纤维的表面粗糙度。PDA表现出强大的附着力，增强了PU和CNFs之间的界面相互作用，从而增强了整体机械性能。二维PCPNC-6实现了长期稳定的蒸发，且无盐沉淀。1.0 sun下蒸发速率为1.456kg m-2h−1。此外，具有丰富活性官能团的PCPNCs是通过氧化还原反应、络合和静电吸引去除Cr（VI）的有效吸附剂。根据吸附动力学和等温线的拟合结果，PCPNC-6在Cr（VI）吸附方面与拟二阶动力学和Langmuir等温线模型表现出更强的一致性。当Cr（VI）初始浓度为100 mg L-1时，吸附量高达500.12±31.02 mg g−1。此外，SDIE可以提高局部金属离子浓度和蒸发界面温度，促进Cr（VI）的吸附。双金属离子吸附和盐扩散通道同时工作，有效生产淡水和净化污水。

【文献来源】

Qin Su, Huaiguo Xue, Jiefeng Gao, et al., Flexible nanofiber composite solar evaporator for simultaneous interfacial evaporation and heavy metal ion adsorption, 2024, 490, 151814.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151814

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