太陽能驅動水處理技術

王 亮

（南京科技職業學院 化學與材料工程學院，江蘇南京 210048）

1 碳基類

1.1 碳納米管

Gan Qimao團隊將碳漿液沉積在無塵紙上，直接包裹在圓柱形聚氨酯海綿上，在室溫干燥后，制成基于碳納米管的懸浮太陽能蒸發器。由于碳納米管表面層的高吸光度，聚氨酯海綿層的高效熱隔離，以及無塵紙的快速水輸送通道，模擬太陽的光照強度為2kW/m2時真實海水蒸發量為1.58kg/ （m2·h），能夠有效地降低了海水蒸發出的淡水中有機和無機污染物的濃度，工作超過30d依然性能穩定，具有良好的耐久性。Song Xiangju團隊采用非溶誘導相反法制備了多孔光熱復合膜，該超濾膜主要由多壁碳納米管和聚砜組成，該膜通過可持續太陽能有效地加熱原料飼料溶液，有利于溶液黏度降低和膜孔徑膨脹，從而促進了在低壓情況下水在膜上的過濾，在模擬太陽的光照強度為1kW/m-2時，操作壓力為0.10MPa時，可達到314L/（m2·h）高過濾流量，它將預熱低溫原料溶液和超濾過程集成一個單元，有效地簡化了操作過程，極大降低操作壓力和能耗，該膜分離系統具有很好的應用前景。 Wang Yuchao團隊采用真空過濾操作將碳納米管混合溶液加到過濾膜的大孔硅基底的上表面，制備成頂部自浮疏水碳納米管膜和底部親水性多孔硅基底組成的雙層材料，頂部碳納米管作為光熱成分，將幾乎整個入射光收集并轉化為熱，底層大孔硅基底除了吸水、機械支撐、熱屏障的作用外，還有助于形成碳納米管頂層的粗糙表面結構，有利于光吸收，實現了82%的太陽能蒸發效率，光照強度為1kW/m2時，水蒸發量為1.32kg/（m2·h），該雙層材料在海水和污水的蒸發凈化方面也表現出良好的性能。Zhu Liangliang團隊報道了一種三維有機泡沫海綿，該海綿由碳納米管/纖維素納米晶體納米復合材料在聚二甲基硅氧烷海綿上的溶液涂層制備，稱為PCC海綿，它具有良好的化學和物理特性，即寬帶光吸收、隔熱、變形和耐久性的能力，還具有良好的內部結構和彈性大孔開口，是吸水的理想支架。納米復合材料有助于高效的太陽能蒸汽產生，實現了87.4%的太陽能蒸發效率，光照強度為1kW·m-2時，水蒸發量1.35kg/（m2·h）。此外，利用PCC海綿的可壓縮性，可以適應任何任意形狀的介質或環境，從而節省空間，提高利用效率。

1.2 炭黑

Liu Yiming團隊采用傳統的浸涂工藝制備了超疏水性黑紗布，干燥的脫脂棉紗布浸入含有炭黑納米顆粒和固化劑二甲基硅氧烷的涂層溶液中，干燥固化后制備的柔性黑色超疏水性紗布應用于實驗。它可漂浮在水面，有高拒水性和低水黏合力，具有自清洗能力，在淡水和海水的太陽能蒸發方面表現出良好的性能。Xu Weichao團隊證明了一個由連續電紡絲制備的柔性Janus吸收器可以實現穩定和高效的太陽能淡化，利用Janus的獨特結構，將太陽能吸收和水抽吸兩種不同的功能層耦合在一起，上面層是疏水碳黑納米顆粒涂覆聚甲基丙烯酸甲基層用于光吸收，下面層是的親水性聚丙烯腈層用于抽吸，海水中的鹽只能沉積在聚丙烯腈層中，并可以通過抽水而迅速溶解，防止鹽沉積阻礙蒸發。Janus吸收器在光照強度為1kW/m2下，可一直穩定維持太陽能蒸發效率為72%和水蒸發量為1.3kg/（m2·h）超過16d，具有良好的耐久性。

1.3 石墨烯

Zhang Panpan團隊開發了防凍劑乙醇輔助冷凍技術用于大量制備長距離垂直排列的石墨烯片，乙醇常被用作防凍劑來降低冰點，這對冰生長的結晶行為有顯著的影響，冷凍鑄造時可精確控制從下到上的凍結方向，從而導致與冰軸平行的石墨烯形成垂直排列的內部三維微結構，形成了方便水運輸的貫通通道，具有高光吸收能力，并在嚴苛條件下具有優異的穩定性。在光照強度為1kW/m2下，水蒸發量1.62kg/（m2·h），海水、濃縮酸液、濃縮堿液、Cr3+、Pb2+、Zn2+等不同重金屬離子的模擬廢水的太陽能蒸發水處理方面都表現出良好的性能。Fu Yang團隊用馬卡納法氧化片狀石墨粉制備了氧化石墨烯，通過凍干分散、滾壓機滾壓后制成氧化石墨烯氣凝膠膜，該膜可自漂浮，長時間穩定維持太陽能蒸發效率，對廢液殺菌處理和海水淡化具有較好的前景。Yang Yang團隊使用自制的氧化石墨烯經過加壓、凍干、高溫煅燒等處理，獲得三維交聯蜂窩式石墨烯材料。石墨烯本身固有的寬范圍強吸收的效應與蜂窩多層堆疊形態引起的累積效應相結合，確保了整個陽光波長范圍內的高效和廣泛吸收，該石墨烯泡沫材料可伸縮變形，而且不需要任何其他支持組件，在光照強度為1kW/m2下，水蒸發量高達2.6kg/（m2·h），可從海水、甲基橙或二甲基藍污水中蒸發處理獲得飲用水。

Xiuqiang Li 團隊使用自制的氧化石墨烯溶液沉積到多孔混合纖維素膜上，通過真空過濾形成氧化石墨烯膜，并包裹在聚苯乙烯泡沫的表面。該膜是一種獨特的二維水道可控制熱損失，聚苯乙烯泡沫可以讓水能通過毛細管力升到上表面石墨烯膜，光照強度為1kW/m2下，太陽能蒸發效率為80%。這種可折疊便攜式的氧化石墨烯薄膜，作為高效有效的太陽能海水脫鹽裝置，對發展中國家和偏遠地區特別有利。

2 生物類

2008年，由于全球變暖和海洋環境污染，在我國海洋領域，滸苔災害俗稱為綠潮現象頻繁發生，這種現象改變了海洋生態系統，對沿海水產養殖、漁業和旅游業造成極大的損害。Yang Lin團隊通過四種不同的加工工藝熱解處理滸苔，制備了4種以生物炭為基礎的太陽能吸收器，滸苔原料在許多沿海地區有大量存在并且容易獲得，滸苔生物炭具備親水性、分層多孔和納米微管結構，在400～2 500nm的寬波長范圍內的高吸收率。光照強度為1kW/m2下，水蒸發量1.1～1.3kg/（m2·h），光熱轉換效率80%～84%，有害海洋植物滸苔回收利用，變害為寶，而且經濟環保，特別適用于供水基礎設施有限的偏遠地區。Kuang Yudi團隊利用天然椴木塊切割、鉆孔、快速炭化，在鉆孔木材的表面形成太陽吸收層。在毫米級的鉆孔通道為低鹽濃度通道和微米級天然木材通道為高鹽濃度，兩種通道之間形成鹽濃度梯度，使得兩通道之間自發進行鹽交換，鉆孔通道作為拒鹽途徑，可以快速與本體溶液交換鹽。光照強度為1kW/m2下，質量分數3.6%氯化鈉溶液的水蒸發量1.46kg·m-2·h-1，在更高濃度鹽溶液也表現出高效率和長期穩定性，該裝置的原材料成本低可再生，制造過程簡單，為海水淡化提供了一個很有前途的方法。Xu Ning團隊將簡單處理后的食用干香菇整個進行炭化，炭化香菇被放置在穿孔的聚苯乙烯中漂浮在水面上。光照強度為1kW/m-2下，水蒸發量1.475kg/（m2·h），炭化后香菇表面粗糙度增加，有利于光吸收，炭化香菇下面的纖維莖可以通過毛細管力將水源吸入香菇上面的傘部，傘部多孔結構和纖維結構提供了理想的蒸發水通道，蘑菇本身的幾何形狀可以大大減小熱損失。這些發現不僅揭示了蘑菇作為太陽能蒸汽產生的低成本材料的隱藏天賦，而且也為高性能太陽能熱轉換設備的未來發展提供了啟發。Zhang Chaofan團隊通過原位化學氣相沉積方法，制備了由碳納米纖維裝飾的碳化絲瓜絡組成的復合材料，組成自浮的太陽能蒸汽產生裝置，上層為碳納米絲瓜絡復合材料，中層為親水棉墊作為水輸送層，下層為以疏水性乙烯乙酸乙烯酯泡沫作為載體，此裝置表現出優異的光吸收能力和光熱轉換能力，由于光熱轉換和獨特的二維水通道的協同功能，在1kW/m2太陽照射下，實現了高水蒸發率1.72kg/（m2·h）和光熱轉換效率92.5%。還驗證了裝置在模擬污水和染料溶液凈化、海水淡化中的應用，海水淡化和模擬污水蒸發出來的純凈水離子濃度遠低于飲用水標準中規定的濃度。收集的染料溶液的純化水為無色透明，此外裝置在回收和長期使用方面顯示出穩定的性能。

3 金屬類

Xu Ying團隊設計了一種具有氧化銅納米線網的多功能光熱材料，納米線網具有吸水、輸送水以及高光吸收能力，銅離子在蒸發過程中可持續釋放殺菌，可以抑制細菌在原水中和物質表面生成，光照強度為1kW/m2照射下，光熱轉換效率最大可達到93%，幾次循環使用后產水率仍然為1.42kg/（m2·h）。氧化銅納米線在原水中的污染物降解方面起到很大作用，還有明顯的抗菌作用，因此，該材料在太陽能蒸餾的純水生產中具有很大的應用潛力。Xu Ning團隊受睡蓮層次結構啟發制造一種裝置，頂部太陽能吸收器是納米結構銅泡沫，底部的支架是由隔熱聚苯乙烯泡沫鉆通孔。為了增強銅泡沫對太陽的吸收，通過化學蝕刻轉化銅泡沫表面成刀狀的納米結構，表面再涂上一層氧化鋁，并用碳黑納米顆粒裝飾保護表面，銅泡沫含有微米大小的孔，用于蒸汽逃逸，在頂部疏水吸收器和底部支架之間形成一個薄水層，被吸收的太陽能將集中在這一薄水層，所以薄水層是太陽蒸發的關鍵，這種裝置可以在高鹽度的鹵水或廢水中實現高效、穩定的太陽蒸發，而且沒有表面鹽積累，直到得到水和溶質的完全分離，具有很好的運用前景。

4 結束語

碳基類、生物質類、金屬類光熱蒸發器具有各自優勢，隨著界面太陽能蒸氣的技術逐漸成熟，必將成為海水淡化和水處理方向的關鍵領域。