活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭蒸餾系統產生清潔水

　　陽光，這是一種可再生且幾乎無限的能源。典型的傳統太陽能蒸餾系統由底部的光熱層和用于冷凝水蒸氣的傾斜表面組成。入射太陽光被源水和光熱層吸收，然后將吸收的光轉化為熱能以加熱整個水體以產生太陽能蒸汽。雖然太陽能蒸餾已經使用了很長時間，但由于太陽能對水的吸收差、大量水加熱和對水渾濁的敏感性，傳統太陽能蒸餾的效率往往受到限制。為了克服傳統太陽能蒸餾的潛在問題，研發使用活性炭材料來增強生產太陽能蒸汽。

　　活性炭界面蒸發裝置的構建

　　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。在制造過程之前，首先被手動研磨成更小的碎片。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。該技術被認為是一種快速且不消耗能量的過程，用于均勻且可重復地生產具有指定膜厚的薄涂層。載有活性炭的鏡片紙在50℃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)上以構建界面蒸發裝置(即活性炭/泡沫、石墨/泡沫)。選擇PE泡沫是因為它的低導熱性。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粗糙(圖2(a)-(c)))。EDS光譜進一步證實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。

　　活性炭凈水生成VOC去除和咸水淡化

　　利用內置載鈦活性炭/泡沫的太陽能蒸餾器系統在實驗室規模(通過太陽模擬器)和實際陽光下進行清潔水生成實驗，以了解系統的適用性。不同的水基質，包括含VOC的水和合成鹽水，作為源水。將含有VOC的水基質用作源水，以探索通過太陽能蒸餾器中的載鈦活性炭/泡沫界面系統同時去除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行苯酚去除測試(沒有PE泡沫)被放置在燒杯底部，從而將其完全浸沒在苯酚溶液中。苯酚在陽光直射光解下保持穩定，通過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。光照下苯酚去除趨勢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程。因此，載鈦活性炭顯示出通過吸附和光催化降解相結合來降解溶液中苯酚的能力。

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

　　除了能夠防止VOC富集外，還研究了太陽能蒸餾器系統在真實陽光下的脫鹽能力，以評估該系統的應用潛力。在本實驗中，使用合成鹽水作為實驗溶液來模擬海水的平均鹽度(3.5wt%)。在使用載鈦活性炭/泡沫的太陽能蒸餾過程后，Cl-和Na+蒸餾水中的水平分遠低于飲用水指導值。總體而言，高蒸餾水生產率和可接受的水質表明使用界面蒸發裝置進行脫鹽的太陽能蒸餾的功效。

　　通過結合活性炭、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生效率的界面蒸發裝置。載鈦活性炭從紫外到近紅外區域表現出優異的光吸收性，因此可以產生更多的熱能來蒸發器件表面的水膜。此外，PE泡沫的低熱導率限制了大量水的熱損失，從而能夠有效利用設備表面產生的熱能。載鈦活性炭的高光吸收和熱定位由PE泡沫誘導一起促進蒸汽產生性能和使載鈦活性炭/泡沫優異的蒸發裝置，不僅蒸發性能穩定，甚至經過多次循環測試，而且受水中懸浮物的影響較小。除了更好的蒸汽產生性能外，載鈦活性炭還被證明能夠通過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，戶外太陽能蒸餾實驗的結果表明，所制造的載鈦活性炭/泡沫裝置的脫鹽能力導致蒸餾水質量很容易滿足WHO飲用水指南。總體而言，該裝置在產水、防止VOC富集和脫鹽方面具有良好的能力，在太陽能蒸餾方面顯示出巨大的潛力。

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