研究布景
太阳能手艺正日益得到开展，以称心更严厉的绿色能源需求，进步工程效率和降低消费成本。仅利用太阳能的低成本手艺也有可能进步水的蒸腾效率。开发的高效界面太阳能蒸发手艺能够显著进步水蒸发性能，而无需大规模、高成本的永久性建立。那种绿色高效的水蒸发手艺已普遍利用于催化、化工、能源发电、情况修复等多个范畴。在基于界面太阳能蒸发的水处置过程中，废水中的污染离子被转移到蒸发器，并可能储蓄积累在蒸发器外表。固然那是海水淡化的一个问题，因为大量的盐分积存会限造进一步的太阳蒸发，但那种现象也可能被操纵来进步特定的水溶性污染物的提取。
基于此，南澳大学研造了一种新型的仿生树状蒸发器，该蒸发器兼有重金属离子（HM）的抉择性吸拥护光热性能。此外，那种蒸发器具有毛细管水传输途径、光热蒸颁发面、HM粘结剂和持续灌水系统，可以实现持久的太阳能驱动蒸发，从而修复HM污染的土壤。相关功效以“A biomimetic interfacial solar evaporator for heavy metal soil remediation”为题，颁发在国际顶刊《Chemical Engineering Journal》（IF=16.744）上。
研究内容
在海水淡化和废水处置过程中，界面太阳能蒸发是一种可继续有效的进步蒸发效果的办法。在那项工做中，那一概念被利用于重金属(HM)土壤修复，那是目前限造粮食消费和危害人类安康的一个严重全球挑战。受动物天然蒸腾修复过程的启发，那里摘用了一种以树木为灵感的蒸发器构造，以加速从土壤中提取含有HM的液体。用氧化石墨烯(RGO)包覆简单的仿生叶片构造，可在1个太阳光下实现高蒸发速度(3.1 kgm⁻²h⁻¹)。对该蒸发器停止了四面的室内太阳蒸发试验，成果表白，蒸发器的蒸发性能根本不变，土壤孔隙水中的HMS(铬、铅、锌等)均有差别水平的降低。颠末太阳能驱动蒸发修复(SDER)后的土壤动物试验表白，与未处置的比照土壤比拟，青花菜根部HM含量别离下降了37.2%、56.4%、25.9%、46.3%和26.9%。那项工做的胜利展现了太阳能蒸发器设想的一个新标的目的，即通过加强水分蒸发来实现有效的土壤污染物修复。
造备计划
将Ca(NO₃)₂-4H₂O(5g，0.24M)和(NH4)₂HPO₄(2.4g，0.29M)在磁力搅拌下搅拌30min，然后加进30%丙酮。用NH₄OH调剂混合液的pH值为10。在室温下搅拌24h后，将8.35g的2-BrMPA滴加到烧瓶中，同时根据需要加进NH₄OH以连结溶液的pH值为10。反响停止24h，然后在80℃下加热2h以脱除氨气。之后，混合物别离用往离子水和乙醇离心和洗涤几次。在每次洗涤后，混合物被离心，上清液在加进下一次洗涤液之前被倒出。NHAP在40 ℃下实空枯燥留宿，得到最末的白色粉末，贮存在枯燥器的密封容器中供进一步利用。为了造备rGO@nHAP@Alg纤维素海绵，将1g的nHAP粉末分离在往离子水(100mL)中，超声处置30min，以突破团聚。然后，将1g海藻酸钠粉末加进nHAP溶液中搅拌12h，构成平均的溶液。然后，将nHAP@Alg溶液(10mL)滴加到1g纤维素纤维中。为了将rGO负载到叶片上，起首将rGO纳米片(10mg)分离在nHAP@Alg溶液(10mL)中，造备了rGO@nHAP@Alg溶液。然后，将rGO@nHAP@Alg(2mL)平均滴到叶层外表。然后将样品在−60℃下冷冻48h，然后在5%CaCl₂中再浸泡6h以促进交联。用往离子水洗涤，在−60℃下冷冻枯燥48h后，得到最末的复合素材。
相关数据
图1.(A)阐明以树木为灵感的适用太阳能驱动修复系统的示企图，以及(B)仿生蒸发器的功用设想。
图2.素材合成与表征。
(A)rGO@nHAP@Alg纤维素海绵的合成工艺。(B)原始纤维素海绵的扫描电子显微镜图像。(C)nHAP@Alg纤维素海绵的扫描电子显微镜图像。(D)rGO@nHAP@Alg纤维素海绵外表nHAP的扫描电子显微镜图像。(E)rGO@nHAP@Alg纤维素海绵的扫描电子显微镜图像。(F)水滴在nHAP@Alg纤维素海绵外表的吸收。(G)毛细管升水试验。(H)差别叶数的蒸发器示企图。(I)差别HMS对HM的吸附容量差别。
图3.蒸发性能。
(A)具有3片叶片的2cm高的蒸发器在暗中和光照下的蒸发性能。(B)差别高度的三叶蒸发器在1个日照照度下蒸发率的改变。(C)差别叶数的3cm高蒸发器蒸发率的改变。(D)在1个太阳照度下，高度为3cm的24片叶子蒸发器的叶片顶层均匀温度的时间改变。(E)在1个日照下30分钟后，3cm高的蒸发器具有差别叶数的蒸发器的红外图像。
图4.蒸发器和土壤中HM含量的散布。
(A)所有截面在离子丈量点的位置。(b-f)带有蒸发器的HM含量热图。(G)SDER前后土壤孔隙水中HM含量。
图5.图5.动物化验。(A)西兰花处置前后的图像。(B)处置前和处置后的西兰花长块。(D)处置前后根和地上部的HM含量。
结论
本文中，初步造备的nHAP@Alg纤维素海绵对多种HMS均表示出较高的吸附才能，此中后续负载rGO显著进步了素材的光吸附才能。最末的rGO@nHAP@Alg纤维素海绵蒸发器的造造办法是，可以随便地转换成各类差别的仿生树设想，而且在高度和叶数上都差别。24片叶片的更佳蒸发速度为3.1kgm⁻²h⁻¹，蒸发量的增加回因于有效蒸颁发面积的增大。对优化后的蒸发器停止了四面的室内光照试验，成果表白，蒸发性能不变，随时间改变不大，土壤孔隙水HM含量显著降低。在SDER之后，动物试验发现，处置后土壤的HM生态毒性在根和地上部都显著降低，那表白该手艺是一种可继续的修复办法。固然那项手艺有很大的潜力进一步优化，但为了实现对目标污染物的更有效的修复，应该初步摸索调整吸收素材的特征来掌握污染物的散布。
文献信息
Zhang B , Wong P W , An A K . Photothermally Enabled MXene Hydrogel Membrane with Integrated Solar-Driven Evaporation and Photodegradation for Efficient Water Purification. 2021.
论文地址
编纂：西南地域交换群/周佳颖
选举人：成都理工大学/张赫