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文房四宝之一“墨”改性膜材料可用于膜蒸馏海水淡化
《X-MOL资讯》微信公众号 / 时间:2018-10-22 13:51:30

  据X-MOL资讯微信公众平台2018年10月20日讯 淡水资源日益匮乏成为当前人类社会不可回避的严峻问题。地球表面97%的水资源集中在海洋,将目光瞄向海洋,从海水中提纯淡水资源成为当前水资源开发的主题。目前,多级闪蒸、反渗透过滤等海水淡化技术已经得到实际工业化应用,但是这些技术能耗过高,不符合可持续发展的要求。太阳能作为一种近似取之不尽、用之不竭的清洁能源,目前已经被广泛开发利用,不过在海水淡化领域太阳能的应用并未规模化,基于光热转化材料借助太阳能实现海水淡化近来也成为了研究热点。
  近日,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)塞思·B·达林(Seth B. Darling)博士等研究者以传统中国文房四宝之一的“墨”为光热转换材料对多孔材料进行表面沉积改性,可用于膜蒸馏海水淡化。基于中国墨的涂层在近红外(NIR)及紫外(UV)区具有强吸取特性,其改性膜材料具有卓越的光热转化效率和水蒸发效率。此外,这种墨涂层的强粘附能力使其能够在木材、纤维、塑料等各种多孔基底表面简便涂覆沉积,利于大规模工业化应用。


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中国墨涂覆改性多孔膜示意图(图片来源:Adv. Mater. Interfaces)


  中国墨是由纳米碳材料(如烟灰)、动物胶及其他添加剂等构成的混合物,几千年被广泛用于中国的书法和绘画。研究表明作为一种碳基材料,中国墨的光热转换效率明显高于铜、氧化铜纳米颗粒,甚至炭黑。测试表明在1太阳光强(1Sun)的照射下,中国墨涂层表面温度能够在30s内从室温升高至90℃,这意味着它在膜蒸馏海水淡化领域具有极大的开发前景。


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不同材质基底的中国墨涂覆改性(图片来源:Adv. Mater. Interfaces)


  与钢笔的墨水相对,传统的中国墨具有较强的基底粘附能力,因此可以简便实现在木材、纤维、塑料泡沫等多种基底的简便涂覆。该涂覆改性的多孔材料干燥后进一步利用原子层沉积技术(ALD)在其表面沉积TiO2层。该TiO2层的存在能够有效避免中国墨溶解带来的二次水污染,同时其亲水性能够显著提升多孔材料的水分传输供应速率。最终制备的中国墨改性多孔材料具有良好的耐水性以及优异的光热转换效率。


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中国墨材料的结构表征(图片来源:Adv. Mater. Interfaces)


  高分辨率透射电子显微镜(TEM)测试表明,中国墨中的碳材料由无定型的碳纳米颗粒(粒径~100nm)和碳纳米片构成。研究人员进一步对PVDF表面中国墨改性后的表面形貌进行了详细的SEM表征,材料表面由几十到一百纳米的纳米粒子堆积形成多孔结构,基于中国墨的多孔涂层厚度约为5μm。同时,随着后续ALD循环次数的增加,纳米颗粒尺寸略微增加。经过ALD处理后,EDS测试显示TiO2薄层在材料表面分布均匀。


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中国墨涂覆PVDF多孔膜表面形貌表征(图片来源:Adv. Mater. Interfaces)


  对中国墨及其涂覆改性多孔材料进行UV-Vis吸取光谱测试,与氧化石墨烯溶液类似,该墨水溶液在可见光和UV区存在较强的吸取,最大吸取峰为260nm。中国墨改性多孔膜表面呈现较小的光反射率和极低的透光率,材料在UV-Vis-NIR区域整体吸光率超过85%。同时,耐水性测试表明ALD技术是赋予材料优异耐水性的关键。此外,表面沉积TiO2薄层显著提升了涂层的亲水性,利用底部空隙中水分的传输。


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中国墨及其涂覆改性材料光学性能、耐水性测试(图片来源:Adv. Mater. Interfaces)


  进一步对中国墨改性膜材料的水蒸发速率和效率(1Sun)进行测试,纯水表面水蒸发速率为0.31kg m-2 h-1,中国墨改性的膜和木材体系其水蒸发速率分别提升了2.4倍(0.75kg m-2 h-1)和4.2倍(1.31 kg m-2 h-1),蒸发效率分别为47.0% 和82.2%。同时,该体系具有优异的循环使用性和稳定性。


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改性膜水蒸发效率测试(图片来源:Adv. Mater. Interfaces)


  本文创造性的利用中国墨作为碳基光热转换材料,结合表面原子层沉积技术,在多种材质上中国墨涂覆改性多孔膜展现出高效的水蒸发效率和稳定性。该研究成果进一步拓展了膜蒸馏应用领域纳米碳材料的来源,同时在碳材料来源及经济适用性方面具有独特的优势,有望用于海水淡化。
  (A Powerful Photothermal Material for Solar Steam Generation,Adv. Mater. Interfaces, 2018, DOI: 10.1002/admi.201801252)

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