活性炭蒸餾系統(tǒng)產(chǎn)生清潔水

　　陽(yáng)光，這是一種可再生且?guī)缀鯚o(wú)限的能源。典型的傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)由底部的光熱層和用于冷凝水蒸氣的傾斜表面組成。入射太陽(yáng)光被源水和光熱層吸收，然后將吸收的光轉(zhuǎn)化為熱能以加熱整個(gè)水體以產(chǎn)生太陽(yáng)能蒸汽。雖然太陽(yáng)能蒸餾已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，但由于太陽(yáng)能對(duì)水的吸收差、大量水加熱和對(duì)水渾濁的敏感性，傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸餾的效率往往受到限制。為了克服傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸餾的潛在問(wèn)題，研發(fā)使用活性炭材料來(lái)增強(qiáng)生產(chǎn)太陽(yáng)能蒸汽。

　　活性炭界面蒸發(fā)裝置的構(gòu)建

　　兩種類型的材料被用作光熱層，活性炭與二氧化鈦和片狀石墨混合。在制造過(guò)程之前，首先被手動(dòng)研磨成更小的碎片。將30mgPVDF膜溶解在2毫升NMP中。此后，將220毫克活性炭加入到溶液中，然后渦旋振蕩30分鐘。然后，將50mg二氧化鈦添加到活性炭分散體中，然后渦旋振蕩30分鐘并超聲處理1小時(shí)以獲得均勻的分散體。最后，使用刮刀將活性炭載鈦材料粘貼在晶狀體組織上，形成直徑為3.5厘米的圓形。該技術(shù)被認(rèn)為是一種快速且不消耗能量的過(guò)程，用于均勻且可重復(fù)地生產(chǎn)具有指定膜厚的薄涂層。載有活性炭的鏡片紙?jiān)?0℃的烘箱中干燥。為了制造載有石墨的鏡片組織，用270毫克石墨代替活性炭和二氧化鈦。將裝有不同光熱材料的鏡片組織樣品放置在PE泡沫(2厘米厚)上以構(gòu)建界面蒸發(fā)裝置(即活性炭/泡沫、石墨/泡沫)。選擇PE泡沫是因?yàn)樗�的低�?dǎo)熱性。活性炭/泡沫和石墨/泡沫的圖片如圖1(a)和(b)所示。

　　圖1：(a)活性炭/泡沫和(b)石墨/泡沫的圖片。(c)不同光熱層的UV-vis-NIR吸收光譜。

　　材料參數(shù)分析

　　光吸收越高，材料吸收的光就越多，從而增加了可利用的太陽(yáng)能。活性炭、載鈦活性炭和石墨的UV-vis-NIR吸收光譜如圖1(c)所示。與石墨相比，含活性炭的材料在UV-vis-NIR區(qū)域吸收更多的光，表明含活性炭的材料是更好的光熱材料。裝載有載鈦活性炭的晶狀體組織樣品的SEM圖像和EDS光譜也支持材料中存在二氧化鈦。晶狀體組織纖維表面在加載活性炭后變得相當(dāng)粗糙(圖2(a)-(c)))。EDS光譜進(jìn)一步證實(shí)了光熱層活性炭中二氧化鈦的存在(圖2(d))。此外，載鈦活性炭圖像(圖2(e))的EDS元素映射(Ti元素)顯示Ti元素均勻分布在材料表面，表明二氧化鈦成功摻入到光熱材料中。

　　圖2：(a)原始鏡片組織(b)僅裝有活性炭的鏡片組織和(c)裝有載鈦活性炭的鏡片組織的SEM圖像。(d)載鈦活性炭的EDS光譜和(e)載鈦活性炭的EDS鈦元素映射。

　　活性炭?jī)羲�生成VOC去除和咸水淡化

　　利用內(nèi)置載鈦活性炭/泡沫的太陽(yáng)能蒸餾器系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(通過(guò)太陽(yáng)模擬器)和實(shí)際陽(yáng)光下進(jìn)行清潔水生成實(shí)驗(yàn)，以了解系統(tǒng)的適用性。不同的水基質(zhì)，包括含VOC的水和合成鹽水，作為源水。將含有VOC的水基質(zhì)用作源水，以探索通過(guò)太陽(yáng)能蒸餾器中的載鈦活性炭/泡沫界面系統(tǒng)同時(shí)去除VOC的蒸餾水收集的可能性。為了首先了解合成的載鈦活性炭的吸附/光催化能力，在燒杯中使用10mgL-1苯酚溶液，水浴溫度控制在20℃和載鈦活性炭片材進(jìn)行苯酚去除測(cè)試(沒(méi)有PE泡沫)被放置在燒杯底部，從而將其完全浸沒(méi)在苯酚溶液中。苯酚在陽(yáng)光直射光解下保持穩(wěn)定，通過(guò)載鈦活性炭的純吸附去除了近40%。此外，在光照下，大約20%的苯酚被進(jìn)一步去除。還可以觀察到使用載鈦活性炭在黑暗和照明下去除苯酚的不同趨勢(shì)。光照下苯酚去除趨勢(shì)的變化表明摻入材料中的二氧化鈦光催化劑參與了光催化過(guò)程。因此，載鈦活性炭顯示出通過(guò)吸附和光催化降解相結(jié)合來(lái)降解溶液中苯酚的能力。

　　圖3：輻照下的紅外圖像，浸沒(méi)的載鈦活性炭(頂部)和載鈦活性炭/泡沫(底部)。

　　除了能夠防止VOC富集外，還研究了太陽(yáng)能蒸餾器系統(tǒng)在真實(shí)陽(yáng)光下的脫鹽能力，以評(píng)估該系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。在本實(shí)驗(yàn)中，使用合成鹽水作為實(shí)驗(yàn)溶液來(lái)模擬海水的平均鹽度(3.5wt%)。在使用載鈦活性炭/泡沫的太陽(yáng)能蒸餾過(guò)程后，Cl-和Na+蒸餾水中的水平分遠(yuǎn)低于飲用水指導(dǎo)值。總體而言，高蒸餾水生產(chǎn)率和可接受的水質(zhì)表明使用界面蒸發(fā)裝置進(jìn)行脫鹽的太陽(yáng)能蒸餾的功效。

　　通過(guò)結(jié)合活性炭、二氧化鈦、鏡片紙和PE泡沫等容易獲得的材料，成功地建立了具有高蒸汽發(fā)生效率的界面蒸發(fā)裝置。載鈦活性炭從紫外到近紅外區(qū)域表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收性，因此可以產(chǎn)生更多的熱能來(lái)蒸發(fā)器件表面的水膜。此外，PE泡沫的低熱導(dǎo)率限制了大量水的熱損失，從而能夠有效利用設(shè)備表面產(chǎn)生的熱能。載鈦活性炭的高光吸收和熱定位由PE泡沫誘導(dǎo)一起促進(jìn)蒸汽產(chǎn)生性能和使載鈦活性炭/泡沫優(yōu)異的蒸發(fā)裝置，不僅蒸發(fā)性能穩(wěn)定，甚至經(jīng)過(guò)多次循環(huán)測(cè)試，而且受水中懸浮物的影響較小。除了更好的蒸汽產(chǎn)生性能外，載鈦活性炭還被證明能夠通過(guò)在光照下的吸附和光催化去除水中的VOC(苯酚約95%的去除效率)。此外，戶外太陽(yáng)能蒸餾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，所制造的載鈦活性炭/泡沫裝置的脫鹽能力導(dǎo)致蒸餾水質(zhì)量很容易滿足WHO飲用水指南。總體而言，該裝置在產(chǎn)水、防止VOC富集和脫鹽方面具有良好的能力，在太陽(yáng)能蒸餾方面顯示出巨大的潛力。

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