东南大学肖睿教授团队Small封底文章：高值化再利用废弃塑料，实现高效光热转化与环境治理

【研究背景】

众所周知，塑料制品如购物袋、包装泡沫、饮料瓶等在日常生活中被广泛使用，然而这些塑料制品的积累会严重污染生态系统。传统的处理聚合物固体废物的方法如垃圾填埋、热解、水解、焚烧等过程通常消耗大量的能量并产生二次污染。因此，回收和利用有机固体废物迫切需要发展更方便、更科学、更环保的方法。同时，为应对全球净水危机，太阳能光热净水被认为是一种环保可持续的水净化方法，利用固体废弃物构建水净化系统将大大缓解生态污染与人类生活用水的压力。

【工作简介】

近日，东南大学肖睿教授课题组联合台湾大学Kevin Wu教授、韩国高丽大学Yong Sik Ok教授首次报道了利用聚吡咯包覆废弃密胺树脂海绵（PMF）用于太阳能净水、有机蒸馏以及浮油处理的研究工作，实现了聚合物固体废物高效利用的新途径。通过原位界面调控多孔密胺树脂海绵，利用聚吡咯与密胺树脂的独特性能，构建了具备高光热转换效率、低热导率、高孔隙率、以及亲水性良好的光热蒸发器。在未采用复杂的隔热设计情况下，在一个太阳的标准光强下实现了1.77 kg m^-2 h^-1的水蒸发速率，光热转换效率高达87.7%，同时，PMF可在酸性、碱性、以及海水中表现出稳定的净水效果，证明了其在污水处理以及海水脱盐领域的应用潜力；利用PMF构建的有机物蒸馏系统可实现酒精的提纯，经过五次循环，可将浓度为10%的稀酒精溶液提纯到85%以上浓酒精溶液，可以直接应用于医疗杀菌、及能源应用。具有超高孔隙率的PMF还可以实现浮油的回收处理，并对机油（80 g g^-1），豆油（85 g g^-1），柴油（77 g g^-1）甲基硅油（91 g g^-1）等不同种类的浮油均表现出极佳的吸附效果，实现了浮油的回收利用。且PMF在经过100次吸油-排油循环后，依然可以保持高达93%的初始吸油量。该工作以“Recycling Polymeric Solid Wastes for Energy-Efficient Water Purification, Organic Distillation, and Oil Spill Cleanup”为题发表在国际知名期刊Small（影响因子13.3）上，并被选为封底文章。东南大学肖睿教授、台湾大学Kevin Wu和韩国高丽大学Yong Sik Ok为通讯作者，东南大学副研究员巩峰，本科生李昊，以及韩国高丽大学袁湘洲研究教授为本文共同一作。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202102459

课题组近年来在固废能源转化及新型利用方向取得了一系列的研究成果，在Nano Energy (Nano Energy, 2020, 74, 104922; Nano Energy, 2019, 58, 322–330), Applied Energy (Applied Energy, 2020, 261, 114410; Applied Energy, 2020, 279, 115764)等知名学术期刊发表多篇高水平论文。

文章被选为封底文章进行发表

【内容详情】

1.聚吡咯包覆密胺树脂海绵

PMF制备方法如图1所示，利用吡咯单体，过硫酸铵作为氧化剂，采用原位聚合法在密胺树脂海绵网络上包覆聚吡咯，实现海绵网络的界面修饰。

图1. PMF制备流程

2.PMF的形貌以及性能表征

微观结构图（a-c）中可看出密胺树脂海绵纤维骨架上包覆了聚吡咯颗粒。图d-i表明PMF具有密度低机械强度高的特点，且包覆的聚吡咯颗粒不易脱落。图j与图k分别表明PMF具有很低的热导率(干燥状态下约为0.03 W m^-1 K^-1，湿润状态下低于0.18 W m^-1 K^-1)以及出色的润湿性。

图2. PMF表征。（a-c）不同放大倍率的SEM图；（d）花朵支撑样品；（e-f）80 g PMF样品承受500g砝码的压力；（g-h）PMF的压缩应变曲线以及拉伸应变曲线；（i）循环弯曲100次保持质量；（j）PMF1-PMF5在干燥以及湿润状态下的热导率；（k）PMF输水性能

3.PMF作为太阳能蒸发器

图a，b为PMF蒸发装置，将PMF裁剪成蘑菇状并利用柄状结构传输水，聚乙烯（PE）泡沫作为隔热材料，防止PMF热量散失。图c与图d分别为不同PMF蒸发水以及PMF表面温度水时间的变化。图e为PMF的蒸发速率以及蒸发效率。图f-h为PMF1、PMF3、PMF5表面温度，随着聚吡咯含量的提高PMF表面温度变高，说明光热转换率提高。图i-j为PMF5在低于一个太阳光的光强下的蒸发速率，表面温度，以及蒸发效率对比。

图3. （a-b）水蒸发装置的示意图以及实物图；（c）质量随时间变化曲线；（d）表面温度随时间变化曲线；（e）PMF1-PMF5的蒸发速率以及效率；（f-h）PMF1、PMF3、PMF5的表面温度；（i）PMF5在不同光强下质量随时间变化；（j）PMF5在不同光强下表面温度随时间变化；（k）PMF5在不同光强下的蒸发速率以及蒸发效率。

4.PMF净水效果

图a、b分别为PMF处理不同类型液体的速率以及表面温度变化。图c为PMF处理海水，经过35次循环后性能稳定。图d-j为处理前后的水的电阻以及pH值变化，处理后的净水电阻均增大，而酸碱溶液处理后pH值均接近7，表明PMF净水效果出色。

图4. （a-b）PMF5处理不同液体的质量随时间变化图以及表面温度随时间变化图；（c）PMF5处理海水的循环测试；（d-g）处理前后液体的电阻值变化；（h-j）处理前后液体的pH值变化。

5.PMF用于酒精提纯以及浮油吸附

图a-d为PMF用于酒精提纯。图a为酒精提纯装置图，图b为酒精提纯流程，图3为不同浓度的酒精一次提纯后的浓度变化，图d为初始浓度为10%的酒精溶液经5次提纯后的浓度变化。图e-g为PMF用于浮油吸附。图e为PMF吸附用苏丹红染色的机油，图f为PMF吸附水上的浮油，吸附后PMF漂浮在水面上，图g为PMF吸油的循环测试，100次循环后吸油效果依然保持稳定。

图5. （a-b）酒精蒸馏装置以及蒸馏流程图；（c）10%-50%酒精溶液蒸馏前后浓度变化；（d）10%浓度酒精溶液蒸馏5次后浓度变化；（e）PMF吸附机油（苏丹红染色）；（f）PMF吸附浮油；（g）PMF吸油循环测试。