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天津大学张雷:静电纺丝结合旋涂法制备两性离子功能化催化蒸发器以同时实现太阳能蒸馏和有机污染物降解

学术动态    2022-07-06 16:47

DOI: 10.1016/j.apenergy.2022.119372

 

太阳能蒸馏是一种近乎理想的可持续清洁水生产技术。然而,天然水中存在着丰富的微生物和宏观污垢,废水过度排放引起的挥发性有机化合物仍然是太阳能蒸馏的主要挑战。在此,本文提出了一种综合策略,通过Fe MOF负载静电纺丝和抗生物污染两性离子涂层来制造具备太阳能蒸馏和有机污染物降解功能的自浮式催化蒸发器。获得的具有纤维结构的催化蒸发器可以提高太阳能蒸馏速率(1.43kg/m2/h)和转化效率(89.41%)。更重要的是,两性离子水凝胶涂层赋予了蒸发器超亲水性,可连续抽水,并具有对细菌、藻类、油和盐的多重污染排斥性,而Fe MOF可通过光芬顿反应分解有机污染物。目前设计的催化蒸发器综合了上述优点,有望为多功能太阳能蒸发装置的设计提供新的维度,解决水处理中的装置污染和有机残留物问题。

 

图1.织物制备及工作机理示意图。(a)织物制备过程。PU纤维将整体水物分解成微滴以增强蒸馏。CB吸收太阳辐射并将其转化为热量。HGB具有自浮性,可将热量集中在织物表面。铁基MOF作为光芬顿反应的催化剂。(b)液态海水/废水可在太阳照射下蒸馏成蒸汽并收集以生产清洁水。(c)光芬顿反应诱导的有机染料(罗丹明B,RB;亚甲蓝,MB)和VOC(苯酚)降解。(d)超亲水ZSB涂层吸引水分子形成水合屏障并排斥各种污垢。

 

图2.织物的形态和结构。(a)将CB纳米粒子嵌入PU纤维中。(b)HGB交织在PU纤维网络之间。(c)MOF颗粒插入在纤维网络之间,而不是嵌入纤维或结中。(d)(i)带有ZSB涂层的织物的SEM图像。还提供了(ii)MOF中Fe和(iii)ZSB中S的EDS映射图像。

 

图3.ZSB涂层织物的多重防垢性能。(a)ZSB涂层赋予织物对两种菌株的优异抑菌作用,对应于革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的粘附密度降低95.2%,革兰氏阴性大肠杆菌的粘附密度降低97.3%。(b)ZSB改性织物抗藻类的效率高达94.3%。(c)ZSB层保证了织物中连续的批量抽水,从而实现(i)5小时浓盐水(10%、20%和饱和NaCl溶液)蒸馏以及(ii)24小时3.6%NaCl和海盐溶液蒸馏。(d)ZSB的水合壳保护织物不与污垢直接接触,因此即使经原油污染也能保持清洁。原油用尼罗红标记以在紫外光下提供荧光信号。

 

图4.与太阳能蒸馏相关的特征。(a-b)太阳能吸收和(c)织物的表面润湿性。原始PU织物具有疏水性,显示出116.3°±2.3°的高WCA。在加入微米级HGB和Fe MOF以及纳米级CB之后,WCA增加到131.7°±4.5°。超亲水ZSB涂层赋予织物惊人的亲水性,从而将WCA急剧降低至约0°。添加HGB的织物即使(d)被压到底或(e)切成片,仍表现出自漂浮性。

 

图5.织物的太阳能蒸馏性能。(a-b)不同CB浓度的织物的蒸发速率。(c)不同CB含量的织物的相应光热转换效率。(d)不同CB含量的织物在300分钟光照期间的表面温度升高。(e)漂浮在3.6%NaCl溶液上的C3M0-ZSB织物的光学图像(左)。C3M0-ZSB在太阳光照下进行光热转换,导致表面温度在30秒内从26.1℃升高到30.7℃,并在60秒内升高到32.2℃(右)。(f)大量水被蒸馏成蒸汽并从织物中释放出来。

 

图6.织物诱导的染料和VOC降解。(a-c)在60分钟的光芬顿降解反应过程中污染物含量逐渐下降。负载更高MOF含量的织物可以实现更快的降解。(d)降解30分钟和60分钟后的污染物残留量。使用具有不同MOF含量的织物。(e-g)污染物在60分钟降解过程中的吸收光谱,采用C3M8-ZSB织物。(h)污染物降解前后的光学图像。

 

图7.C3M8-ZSB织物催化的污染物降解行为。(a-c)仅由太阳光照射(solar(+)C3M8-ZSB(–))、仅由C3M8-ZSB催化(solar(–)C3M8-ZSB(+))或两者兼有(solar(+)C3M8-ZSB(+))诱导的污染物降解。(d)污染物在6个循环中反复降解,每个循环持续60分钟。原始含污染物废水和纯化冷凝水的(e)吸收光谱和(f)细胞相容性。