ACS nano||用于大规模、低成本和高效太阳能海水淡化蒸发器设计全纤维素吸水织物

1

研究背景

由于人类社会的快速发展和气候变化的影响，淡水匮乏变得日益紧迫。 然而，传统的水处理方法，如热蒸馏和反渗透等，在很大程度上依赖于化石燃料，造成不可再生资源的消耗和自然环境的污染。两面间太阳能蒸气发电（ISVG）技术可将清洁、无尽的太阳能集中在水气界面，大大提高能量转换效率，诱导快速蒸汽生成，实现淡水循环利用。因此，由于其成本效益和环境友好性，它被认为是缓解淡水匮乏的一种前沿和有前途的方法。

太阳能蒸气发电（ISVG）技术中光热材料面临的盐积累问题及其解决方案。传统疏水性光热层虽能阻盐但供水不足，而亲水性设计虽能提升供水却常受限于盐扩散不畅，导致蒸发性能下降和稳定性问题。为此，研究者通过呼吸图模板（BFT）方法，开发了一种基于全纤维素、可规模化制造的亲水性排汗织物（CB@CA/CF）。该材料具有分层梯度多孔结构：上层CB@CA微/纳米孔提供光捕获效应增强吸光、促进蒸汽逸出，并与底层织物大孔结合形成强差动毛细效应；同时，亲水性差异进一步驱动水从底层向光热层单向持续输送。这种设计实现了高效供水与盐离子及时扩散回主体水体的双重效果，在3.5 wt% NaCl溶液中达到了2.08 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，并能稳定运行8小时无盐积累。此工作为解决ISVG的盐积累瓶颈、实现高效稳定海水淡化及废水净化提供了一种简便且可扩展的实用策略。

相关成果以“Architecting ofAll-Cellulose-Based Wicking Fabric for a Large-Scale,Low-Cost,and Highly Efficient Solar Desalination Evaporator”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。（JCR一区，中科院一区，IF=16.4）

2

研究数据

图1.CB@CA/CF蒸发器的制造工艺和工作机理示意图。(a)CB@CA/CF制备示意图。(b)大型CB@CA/CF蒸发器的制造工艺(c)CB@CA/ CF蒸发器在太阳能蒸汽发生过程中的示意图。

图2.CB@CA/CF蒸发器的形态、化学结构和机械性能。(a)CB@CA/CF顶部的数码照片。(b)CB@CA/CF顶部的SEM图像和孔的放大SEM图像。(c)CB@CA/CF底部的数码照片。(d)CB@CA/CF底部的SEM图像和孔的放大SEM图像。(e)CB@CA的孔径分布。(f)CF层的孔径分布。(g)CF、CB@CA/CF-乙酰基和CB@CA/CF的FTIR光谱和（h）XRD图案。(i)CA和纤维之间相互作用的示意图。(j)CB@CA/CF的应力-应变曲线。(k)折叠前后CB@CA/CF的照片。

图3.CB@CA/CF蒸发器的光吸收、水传输和蒸汽渗透性。(a)CB@CA/CF的光吸收机制。(b)吸收光谱，由标准AM 1.5 G太阳光谱加权。(c)CB@CA/CF蒸发器在不同入射角下的光吸收。(d)CB@CA/CF蒸发器定向输水示意图。(e)底部与水滴接触后CB@CA/CF的扩散和IR图像。(f)当将水滴在CF层和CB@CA层上时，CB@CA/ CF的顶表面和底表面的相对水含量。(g)CB@CA/CF的水蒸气扩散图。(h)CB@CA/CF-np和CB@CA/CF的透气性和（i）透湿性。

图4.CB@CA/CF蒸发器太阳能蒸汽发生性能及机理分析(a)太阳能蒸汽发生实验装置示意图及可见蒸汽蒸发器数码照片。(b)IR热图像显示CB@CA/CF蒸发器在一个太阳照射下0、3、5和30 min后的表面温度分布。白色交叉点指向CB@CA/CF的相同位置。(c)连续温度变化，（d）蒸发速率演变，以及（e）CB@CA/CF-np、CB@CA/CF-acetyl和CB@CA/CF在1 kW m−2太阳强度下的能量转换效率。(f)DSC测量和（g）本体水和CB@CA/CF-乙酰基和CB@CA/CF中的水的蒸发焓。(h)水蒸发焓降低的示意图。

图5.CB@CA/CF蒸发器的脱盐能力。(a)长期蒸发速率和（b）CB@CA/ CF和CB@CA/CF-乙酰基在3.5重量% NaCl溶液中工作8小时的盐积累。(c)在黑暗中CB@CA/CF的盐回流。(d)CB@CA/CF在无盐积累的情况下的工作机制示意图。(e)CB@CA/CF蒸发器在3.5、10和20 wt % NaCl溶液中在1 kW m−2下的累积重量变化和（f）蒸发速率演变。(g)CB@CA/CF蒸发器在不同盐度下的蒸发速率和效率。(h)CB@CA/CF蒸发器在3.5wt%NaCl溶液中在一个太阳照射下的耐久性测试（每个循环：8小时用于照射和16小时用于静止）。

图5.CB@CA/CF蒸发器的实际应用(a)漂浮在湖面上的基于CB@CA/CF的净化装置的数码照片。(b)室外工业印染废水处理的净化装置。(c)在8：00 - 16：00（2021年7月5日，中国上海）的室外试验中，连续测量自然阳光通量、环境温度和纯化水收集率。(d)印染废水经CB@CA/CF蒸发前后的照片。(e)印染废水和净化水的COD和TOC。(f)（左）原染色废水和（右）净化水的3D-EEM图像。(g)印染废水蒸发前后的水质评价。(h)印染废水处理前后不同离子浓度的演变。

3

研究结论

总之，本研究报道了一种独特的全纤维素基芯吸织物，用于高效和稳定的太阳能界面蒸发。该蒸发器采用简单的BET法制备，具有多级多孔结构，上下两层之间具有梯度润湿性。令人印象深刻的是，由CB@CA和CF组成的独特双层多孔结构产生了快速的抗重力芯吸效应，这不仅为光热层提供了充足的水供应，而且还确保了蒸发器的长期脱盐。此外，光热层的分级多孔结构有效地阻挡光路，从而实现有效的光捕获和快速的蒸汽逸出。因此，CB@CA/CF蒸发器在一个太阳照射下实现了2.08 kg m−2 h−1的高蒸发速率;即使在3.5wt% NaCl溶液中工作8 h，也可以保持1.98 kg m−2 h−1的高蒸发速率，并且没有盐积累。此外，所设计的浮动蒸发系统可以在真实的室外环境条件下处理印染废水，每天收集8.39 kg m−2的净化水，具有良好的实用性。制造过程和材料选择的简单性对于大规模脱盐和水净化非常有希望。

4

DOI:10.1021/acsnano.4c14352

声明：仅代表作者个人观点，如有不科学之处请在下方留言指正！！！