界面蒸发 | Desalination，石榴皮废料基太阳能蒸发器

1. 概述

埃及曼苏拉大学与美国汉普顿大学团队在《Desalination》发表研究，以石榴皮废料为原料，通过 K₂CO₃活化热解制备生物炭（BC），结合石榴皮提取物绿色还原 AgNO₃合成银纳米颗粒（Ag NPs），形成 Ag@BC 纳米复合材料再采用低成本铜氨法制备人造丝纤维，将 Ag@BC 嵌入其中并与 PE 泡沫组装成柔性光热蒸发器（Ag@BC-Rayon）。该蒸发器在1 太阳（1 kW m⁻²）照射下，蒸发速率达1.39 kg m⁻² h⁻¹、光热转换效率85.1%，5 分钟内表面温度升至 44.0℃；可耐受20% 高盐溶液且无盐结晶，能去除甲基蓝等有机染料，1 m² 装置日产能淡水10.2 kg，成本仅32.09 美元 /m²，为低成本、环保的海水淡化与废水净化提供新方案。
2. 实验方法

2.1 材料（Materials）

所有化学试剂均直接用于制备光热系统，未进一步纯化。硫酸铜（CuSO₄）、碳酸钠（Na₂CO₃）、碳酸钾（K₂CO₃）、硫酸（H₂SO₄）、盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）及氨水（30%）购自 Sigma Aldrich 公司；硝酸银（AgNO₃）与有机染料购自 Loba Chemie 公司。

2.2 生物炭（BC）的制备（Synthesis of BC）

由于埃及盛产石榴，石榴皮是该国常见的木质纤维素废料。将石榴皮作为碳质原料，先用蒸馏水清洗以去除灰尘和污染物，随后在 80℃下干燥数天；用电动研磨机将其粉碎后过筛，得到粒径为 0.16 mm 的颗粒。参考 W. Saadi 等人报道的方法并稍作修改，采用管式电炉对木质纤维素废料进行简单热解，同时用 K₂CO₃进行化学活化以制备 BC。首先，将 K₂CO₃活化剂与石榴皮前驱体在玛瑙研钵中按 1:1 的质量比物理混合；随后将样品置于氮气氛围中，以 10℃/ 分钟的升温速率加热至 700℃并保温 1 小时。热解后，将得到的黑色粉末用 1.0 mol/L 的盐酸溶液冲洗，离心收集后用蒸馏水洗涤，以去除残留的活化剂及堵塞孔隙的无机物。

2.3 石榴皮提取物的制备（Preparation of Punica granatum extract）

首先，剥取石榴皮，用蒸馏水冲洗以去除灰尘和杂质，随后再用蒸馏水洗涤两次；将石榴皮置于常规烘箱中 60℃干燥，并用研钵研磨。之后，取 10.0 g 研磨后的石榴皮，与 100 mL 乙醇 - 水混合液（体积比 1:1）混合，超声处理 1 小时；在 90℃下搅拌 10 小时后，将混合液在室温下静置 24 小时；最后通过滤纸过滤得到棕色滤液，置于冰箱中备用。

2.4 Ag@BC 纳米复合材料的制备（Synthesis of Ag@BC nanocomposite）

将 1.0 g 制备好的 BC 在 50 mL 蒸馏水中超声分散 30 分钟，得到 BC 悬浮液；随后将 0.078 g 硝酸银（AgNO₃）溶解于 10 mL 蒸馏水中，并将该溶液加入上述 BC 悬浮液中，再逐滴加入 2 mL 石榴皮提取物；将混合液置于暗室中搅拌 48 小时，以减少 AgNO₃的光活化；通过离心分离得到沉淀物，用蒸馏水反复洗涤后，在常规烘箱中 60℃干燥。

制备纯 Ag NPs 时，将石榴皮提取物逐滴加入 AgNO₃溶液中，在暗室中搅拌；溶液颜色从无色变为黄色，随后变为棕色，表明 Ag NPs 已成功生成；通过离心分离 Ag 沉淀物，用蒸馏水洗涤后，在 60℃下烘干过夜。

2.4.1 人造丝纤维的制备（Synthesis of rayon fibers）

采用铜氨法（Cupra process）制备人造丝，该方法通过纤维素类化合物与铜和氨水反应将其转化为人造丝。首先，在磁力搅拌下，将 51.0 g 硫酸铜（CuSO₄）溶解于 200 mL 蒸馏水中，制备硫酸铜溶液；在另一烧杯中，将 19.2 g 碳酸钠（Na₂CO₃）溶解于 100 mL 蒸馏水中，随后在剧烈搅拌下将该溶液逐滴加入上述硫酸铜溶液中；将得到的绿色混合液在搅拌下维持 pH 7-8，保温 1 小时；通过过滤收集蓝绿色沉淀物，用蒸馏水洗涤数次后，在 80℃烘箱中干燥。硫酸铜与碳酸钠溶液反应的化学方程式如式（1）所示：

在 250 mL 烧杯中，将 2.9 g 碱式碳酸铜（Cu₂(OH)₂CO₃）加入 30 mL 30% 氨水中，搅拌至形成深蓝色均匀溶液，得到碳酸铜饱和溶液；随后将约 1.0 g 棉花分少量多次加入该蓝色溶液中，直至棉花完全溶解；去除溶液中未溶解的棉花残渣，得到澄清的蓝色溶液。纤维素溶解后，用注射器抽取少量蓝色溶液；由于纤维素在酸性介质中可再生为人造丝纤维，因此将溶液通过针头缓慢注入硫酸溶液中，形成蓝色纤维；将纤维在硫酸中浸泡约 30 分钟，直至变为无色，随后用蒸馏水洗涤数次。

制备黑色人造丝纤维（Ag@BC - 人造丝）时，通常将 0.5 g Ag@BC 纳米复合材料加入施魏策尔试剂（Schweitzer's cellulosic reagent，铜氨纤维素溶液）中，后续操作与上述制备纯人造丝纤维的步骤一致。

2.5 太阳能蒸汽发生实验（Solar steam generation experiments）

为评估制备的光热器件的质量损失与蒸发通量，将装有 150 mL 水的玻璃容器置于制备的光热系统下方；该光热系统包含一个圆柱形蒸发器（直径 5.0 cm、厚度 0.5 cm），并将其放置在已校准的电子天平上，以实时记录水的质量损失。通过疏水 PE 泡沫的外部支撑，将黑色人造丝纤维均匀分布在表面，以最大限度减少传导热损失 —— 光热系统与水直接接触会导致传导热损失，进而影响 ISSG 器件的光热转换能力，而 PE 泡沫作为隔热材料可显著提升 Ag@BC - 人造丝织物的蒸发效率。此外，在光热吸收体下方分布棉芯，借助微通道的毛细作用实现水向表面的均匀传输。为便于理解，图 S2 中给出了器件的工作原理示意图。在使用集成膜进行脱盐前，还对盐水中初始存在的四种主要离子（Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺）的浓度进行了测量与模拟；同时用红外相机测量集成膜上表面的温度变化与热量局域化情况。

3. 图文导读

图1.合成示意图：(a) 嵌入人造丝纤维且负载于 PE 泡沫表面的 Ag@BC 纳米复合材料；(b) 利用石榴皮提取物合成银纳米颗粒（Ag NPs）的推测机制

图2.扫描电子显微镜（SEM）图像：(a) 合成后的生物炭（BC）；(b、c、g) Ag@BC 纳米复合材料；(d) 人造丝纤维；(e、f) 嵌入人造丝纤维的 Ag@BC；(h-l) 各元素（C、O、Ag、N）的元素分布图；(m、n) 透射电子显微镜（TEM）图像；(o) 制备的纳米复合材料中 Ag NPs 的对应粒径分布

图3.(a) 制备的纳米复合材料的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）；(b) X 射线衍射（XRD）图谱；Ag@BC 纳米复合材料的高分辨 X 射线光电子能谱（HR-XPS）：(c) C 1s；(d) O 1s；(e) N 1s；(f) Ag 3d；(g) 太阳光谱与紫外 - 可见 - 近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱；(h) 接触角；(i) 人造丝纤维在 2 分钟内对亚甲基蓝（MB）溶液的传输效果

图4.(a) 自来水、(b) 模拟盐水（3.5%）中的质量损失；(c) 蒸发速率与效率；(d) 不同制备的界面太阳能蒸汽发生（ISSG）系统在 1 倍太阳光照射下 60 分钟（湿润状态）的红外（IR）图像；(e) 制备的光热系统在湿润状态下的表面温度变化；(f) Ag@BC - 人造丝系统在 1 倍太阳光照射 1 小时的热红外图像；(g) 不同盐浓度盐水下的效率；(h) 常规条件下脱盐过程的实物图像

图5.(a) 制备的光热器件在无盐和有盐条件下 10 次循环的长期可循环性；(b) 脱盐前后硬金属离子浓度；(c) 冷凝水的 pH 值；(d) 1 倍太阳光照射下有机染料冷凝前后的紫外 - 可见光谱；使用 Ag@BC - 人造丝光吸收体在真实太阳光下的户外实验（记录时间 7:00-19:00）：(e) 蒸发效率（红紫色柱）与质量损失（黑色线）；(f) 太阳强度（红橙色柱）与表面温度变化（黑色线）；(g) 真实太阳光照射 1 小时脱盐实验前后光吸收体的实物图像

4. 结论

以石榴皮废料为核心原料，先经清洗粉碎、K₂CO₃活化热解（700℃氮气氛围）制多孔生物炭（BC），再用石榴皮提取物（多酚类物质）绿色还原 AgNO₃，合成银纳米颗粒（Ag NPs）并负载于 BC 表面得 Ag@BC 复合材料；将其嵌入铜氨法制备的人造丝纤维，结合 PE 泡沫（隔热 + 漂浮）与棉芯（毛细输水），制成柔性光热蒸发器。

该蒸发器 1 太阳下蒸发速率 1.39 kg m⁻²h⁻¹、效率 85.1%，耐受 20% 高盐无结晶，海水离子去除率 99%、染料废水净化率近 100%，成本仅 32.09 美元 /m²，1m² 日产能 10.2kg 淡水，为低成本环保的海水淡化与废水处理提供新方案。

-小编介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《 物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括纤维素，疏水/亲水材料，碳材料，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

邮箱：xidsuo@126.com

爱折腾、爱学习、有一颗好奇的心，知上进，懂感恩的科学工作者。

愿望是拥有足够的科研经费按自己喜欢的方式折腾！