【文献解读】ACS AMI: 用于海水淡化和VOCs去除的自支撑光热微反应器——废弃金针菇根段的碳化利用

清洁的饮用水是人类生存和发展的重要资源之一，然而，严重的环境污染和不可预测的气候变化已经加剧了清洁饮用水的短缺。海水淡化技术能够帮助人们从储量巨大的海水中提取可饮用的淡水，但是传统的海水淡化是一个高耗能的行业，淡化方法包括蒸馏、反渗透、电渗析、离子交换等，分别需要消耗大量的热能和电能。最先进的海水反渗透淡化厂每生产一吨淡水需要消耗3-kWhm³能量并产生1.4-1.8 kg CO₂。太阳能蒸发海水技术能够在有效利用清洁能源的同时完成海水的淡化。目前通常采用界面加热方法提高蒸发效率，将光热材料漂浮在海水上，收集的太阳能产生的热量被有效地限制在水-空气界面，从而抑制热量向水体的散失，提高蒸发量。解决海水淡化能量来源的同时，还要注意到海水也被各种有机物污染，特别是水中的挥发性有机物（VOCs），在太阳能蒸发过程中VOCs也伴随水被蒸发形成富含VOCs的水蒸汽造成污染。

针对上述问题上海师范大学资源化学教育部重点实验室的研究人员受自然界生物质材料结构的启发，通过将商用二氧化钛（P25）粉体喷涂在碳化后的生物质废弃物——金针菇根段上，制备了一种太阳能驱动的蒸汽生成和VOCs去除的双功能微反应器。该微反应器具有3D排列的多孔碳结构，在模拟太阳光照射下（光强为25.5 kW/m²）表现出较高的蒸发率（37.0kg/m²h）和较高的能量转换效率（91.2%）。在蒸发过程中VOC（苯酚作为模拟污染物）去除率达到80.9%。该研究以自然为灵感的设计理念和双功能微反应器，为高效去除挥发性有机物的海水生产洁净蒸馏水开辟了新途径。

研究过程中，作者将金针菇根段清洗烘干，分多次将P25均匀分散到干燥的金针菇根段上，最后在氮气保护下对其进行不同温度的高温碳化处理，最终得到该双功能微反应器。900^oC高温处理5小时后得到具有良好光吸收的P25负载多孔簇状碳阵列泡沫（PPC-array），通过扫描电镜照片(Figure 2)发现阵列中含有大量连通的空隙，并且P25均匀分布在碳骨架表面。

Figure 1. Illustration of the fabrication route to the self-supporting PPC-array foams.

Figure 2. (a) Optical images, (b) SEM images, and (c−e) element distribution from SEM-EDS mapping images of PPC0.1-900.

红外摄像机记录了光照下PPC-array泡沫表面的温度分布（Figure 3），氙灯光照5分钟泡沫表面温度升高到65^oC，20分钟后升高到83.3^oC，高于纯水的58.6^oC。明显的温差表明PPC-array泡沫可以有效地吸收光能，对泡沫体进行加热，蒸发更多的水分来生成蒸馏水。

Figure 3 IR images of pure water and PPC0.1-900.

通过模拟太阳光照射（氙灯，光强为25.5 kW/m²），研究了PPC-array泡沫的水分蒸发性能。光照40分钟水自然蒸发量只有6.3kg/m²，而PPC-array泡沫则可以得到约25.3kg/m² （Figure 4 a），蒸发量和光照强度呈线性关系，并且还在实际自然条件下进行蒸发测试（上海，2019年5月11日），在中午10：30的时候蒸馏水的产量最高，达到0.43g/h。检测处理后的蒸馏水中Na⁺的含量低于世界卫生组织规定的饮用水标准。以苯酚作为VOCs的模型物来评价该PPC-array泡沫的光催化效率。光照40分钟，其对苯酚的去除率最高可达80.9%，对苯酚的矿化率可达45%以上。

Figure 5. (a) Mass of evaporated water as a function of the illumination time (25.5 kW m⁻²) in the presence of PPC0.1-500, PPC0.1-600, PPC0.1-700, PPC0.1-800, and PPC0.1-900 foams. (b) Mass of evaporated water as a function of various light intensities (Copt = 1, 5, 10, 15, and 25.5 kW ⁻²) in the presence of PPC0.1-900 foams. (c) Evaporation rates (left) and efficiencies (right) calculated from curves in panel (b). (d) Mass of vaporated water per hour and the actual solar intensity during 9:00−17:00 h. (e) Ions’ concentrations change after seawater desalination of PC0.1-900. (f) Recyclability of the PPC0.1-900 foams.

最后作者提出了该自悬浮双功能微型反应器的清洁水生产机理。金针菇根段碳化形成的定向的碳阵列泡沫能够有效负载P25纳米晶，碳阵列泡沫具有良好的光热转换能力，加速水分蒸发，在水分蒸发的同时P25能够进行光催化降解VOCs反应，碳阵列泡沫产生的热效应，能够提高光催化性能，从而实现海水淡化和净化的协同进行。

Figure 7. Proposed mechanism for the clean water productionprocess.

结 论

该研究利用碳化的生物质废弃物——金针菇根段，将高分散P25纳米晶负载在所形成的定向多孔碳阵列的孔壁上，得到了具有光热、光催化双功能的自悬浮微反应器，实现在光照下海水淡化和VOC的去除。在模拟太阳光照射下（光强为25.5 kW/m²）表现出较高的蒸发率（37.0kg/m²h）以及91.2%的能量转化效率。在淡化过程中苯酚的去除率达到80.9%。该双功能微反应器为从高盐度、有机污染物甚至微塑料严重污染的水体中生产洁净水提供了一种有前途的策略。

原文链接

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c15694

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