王 亮

（南京科技職業(yè)學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇南京 210048）

1 碳基類(lèi)

1.1 碳納米管

Gan Qimao團(tuán)隊(duì)將碳漿液沉積在無(wú)塵紙上，直接包裹在圓柱形聚氨酯海綿上，在室溫干燥后，制成基于碳納米管的懸浮太陽(yáng)能蒸發(fā)器。由于碳納米管表面層的高吸光度，聚氨酯海綿層的高效熱隔離，以及無(wú)塵紙的快速水輸送通道，模擬太陽(yáng)的光照強(qiáng)度為2kW/m2時(shí)真實(shí)海水蒸發(fā)量為1.58kg/ （m2·h），能夠有效地降低了海水蒸發(fā)出的淡水中有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物的濃度，工作超過(guò)30d依然性能穩(wěn)定，具有良好的耐久性。Song Xiangju團(tuán)隊(duì)采用非溶誘導(dǎo)相反法制備了多孔光熱復(fù)合膜，該超濾膜主要由多壁碳納米管和聚砜組成，該膜通過(guò)可持續(xù)太陽(yáng)能有效地加熱原料飼料溶液，有利于溶液黏度降低和膜孔徑膨脹，從而促進(jìn)了在低壓情況下水在膜上的過(guò)濾，在模擬太陽(yáng)的光照強(qiáng)度為1kW/m-2時(shí)，操作壓力為0.10MPa時(shí)，可達(dá)到314L/（m2·h）高過(guò)濾流量，它將預(yù)熱低溫原料溶液和超濾過(guò)程集成一個(gè)單元，有效地簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，極大降低操作壓力和能耗，該膜分離系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。 Wang Yuchao團(tuán)隊(duì)采用真空過(guò)濾操作將碳納米管混合溶液加到過(guò)濾膜的大孔硅基底的上表面，制備成頂部自浮疏水碳納米管膜和底部親水性多孔硅基底組成的雙層材料，頂部碳納米管作為光熱成分，將幾乎整個(gè)入射光收集并轉(zhuǎn)化為熱，底層大孔硅基底除了吸水、機(jī)械支撐、熱屏障的作用外，還有助于形成碳納米管頂層的粗糙表面結(jié)構(gòu)，有利于光吸收，實(shí)現(xiàn)了82%的太陽(yáng)能蒸發(fā)效率，光照強(qiáng)度為1kW/m2時(shí)，水蒸發(fā)量為1.32kg/（m2·h），該雙層材料在海水和污水的蒸發(fā)凈化方面也表現(xiàn)出良好的性能。Zhu Liangliang團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種三維有機(jī)泡沫海綿，該海綿由碳納米管/纖維素納米晶體納米復(fù)合材料在聚二甲基硅氧烷海綿上的溶液涂層制備，稱(chēng)為PCC海綿，它具有良好的化學(xué)和物理特性，即寬帶光吸收、隔熱、變形和耐久性的能力，還具有良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和彈性大孔開(kāi)口，是吸水的理想支架。納米復(fù)合材料有助于高效的太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了87.4%的太陽(yáng)能蒸發(fā)效率，光照強(qiáng)度為1kW·m-2時(shí)，水蒸發(fā)量1.35kg/（m2·h）。此外，利用PCC海綿的可壓縮性，可以適應(yīng)任何任意形狀的介質(zhì)或環(huán)境，從而節(jié)省空間，提高利用效率。

1.2 炭黑

Liu Yiming團(tuán)隊(duì)采用傳統(tǒng)的浸涂工藝制備了超疏水性黑紗布，干燥的脫脂棉紗布浸入含有炭黑納米顆粒和固化劑二甲基硅氧烷的涂層溶液中，干燥固化后制備的柔性黑色超疏水性紗布應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)。它可漂浮在水面，有高拒水性和低水黏合力，具有自清洗能力，在淡水和海水的太陽(yáng)能蒸發(fā)方面表現(xiàn)出良好的性能。Xu Weichao團(tuán)隊(duì)證明了一個(gè)由連續(xù)電紡絲制備的柔性Janus吸收器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高效的太陽(yáng)能淡化，利用Janus的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，將太陽(yáng)能吸收和水抽吸兩種不同的功能層耦合在一起，上面層是疏水碳黑納米顆粒涂覆聚甲基丙烯酸甲基層用于光吸收，下面層是的親水性聚丙烯腈層用于抽吸，海水中的鹽只能沉積在聚丙烯腈層中，并可以通過(guò)抽水而迅速溶解，防止鹽沉積阻礙蒸發(fā)。Janus吸收器在光照強(qiáng)度為1kW/m2下，可一直穩(wěn)定維持太陽(yáng)能蒸發(fā)效率為72%和水蒸發(fā)量為1.3kg/（m2·h）超過(guò)16d，具有良好的耐久性。

1.3 石墨烯

Zhang Panpan團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了防凍劑乙醇輔助冷凍技術(shù)用于大量制備長(zhǎng)距離垂直排列的石墨烯片，乙醇常被用作防凍劑來(lái)降低冰點(diǎn)，這對(duì)冰生長(zhǎng)的結(jié)晶行為有顯著的影響，冷凍鑄造時(shí)可精確控制從下到上的凍結(jié)方向，從而導(dǎo)致與冰軸平行的石墨烯形成垂直排列的內(nèi)部三維微結(jié)構(gòu)，形成了方便水運(yùn)輸?shù)呢炌ㄍǖ?，具有高光吸收能力，并在?yán)苛條件下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。在光照強(qiáng)度為1kW/m2下，水蒸發(fā)量1.62kg/（m2·h），海水、濃縮酸液、濃縮堿液、Cr3+、Pb2+、Zn2+等不同重金屬離子的模擬廢水的太陽(yáng)能蒸發(fā)水處理方面都表現(xiàn)出良好的性能。Fu Yang團(tuán)隊(duì)用馬卡納法氧化片狀石墨粉制備了氧化石墨烯，通過(guò)凍干分散、滾壓機(jī)滾壓后制成氧化石墨烯氣凝膠膜，該膜可自漂浮，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持太陽(yáng)能蒸發(fā)效率，對(duì)廢液殺菌處理和海水淡化具有較好的前景。Yang Yang團(tuán)隊(duì)使用自制的氧化石墨烯經(jīng)過(guò)加壓、凍干、高溫煅燒等處理，獲得三維交聯(lián)蜂窩式石墨烯材料。石墨烯本身固有的寬范圍強(qiáng)吸收的效應(yīng)與蜂窩多層堆疊形態(tài)引起的累積效應(yīng)相結(jié)合，確保了整個(gè)陽(yáng)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高效和廣泛吸收，該石墨烯泡沫材料可伸縮變形，而且不需要任何其他支持組件，在光照強(qiáng)度為1kW/m2下，水蒸發(fā)量高達(dá)2.6kg/（m2·h），可從海水、甲基橙或二甲基藍(lán)污水中蒸發(fā)處理獲得飲用水。

Xiuqiang Li 團(tuán)隊(duì)使用自制的氧化石墨烯溶液沉積到多孔混合纖維素膜上，通過(guò)真空過(guò)濾形成氧化石墨烯膜，并包裹在聚苯乙烯泡沫的表面。該膜是一種獨(dú)特的二維水道可控制熱損失，聚苯乙烯泡沫可以讓水能通過(guò)毛細(xì)管力升到上表面石墨烯膜，光照強(qiáng)度為1kW/m2下，太陽(yáng)能蒸發(fā)效率為80%。這種可折疊便攜式的氧化石墨烯薄膜，作為高效有效的太陽(yáng)能海水脫鹽裝置，對(duì)發(fā)展中國(guó)家和偏遠(yuǎn)地區(qū)特別有利。

2 生物類(lèi)

2008年，由于全球變暖和海洋環(huán)境污染，在我國(guó)海洋領(lǐng)域，滸苔災(zāi)害俗稱(chēng)為綠潮現(xiàn)象頻繁發(fā)生，這種現(xiàn)象改變了海洋生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖、漁業(yè)和旅游業(yè)造成極大的損害。Yang Lin團(tuán)隊(duì)通過(guò)四種不同的加工工藝熱解處理滸苔，制備了4種以生物炭為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能吸收器，滸苔原料在許多沿海地區(qū)有大量存在并且容易獲得，滸苔生物炭具備親水性、分層多孔和納米微管結(jié)構(gòu)，在400～2 500nm的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高吸收率。光照強(qiáng)度為1kW/m2下，水蒸發(fā)量1.1～1.3kg/（m2·h），光熱轉(zhuǎn)換效率80%～84%，有害海洋植物滸苔回收利用，變害為寶，而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保，特別適用于供水基礎(chǔ)設(shè)施有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)。Kuang Yudi團(tuán)隊(duì)利用天然椴木塊切割、鉆孔、快速炭化，在鉆孔木材的表面形成太陽(yáng)吸收層。在毫米級(jí)的鉆孔通道為低鹽濃度通道和微米級(jí)天然木材通道為高鹽濃度，兩種通道之間形成鹽濃度梯度，使得兩通道之間自發(fā)進(jìn)行鹽交換，鉆孔通道作為拒鹽途徑，可以快速與本體溶液交換鹽。光照強(qiáng)度為1kW/m2下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.6%氯化鈉溶液的水蒸發(fā)量1.46kg·m-2·h-1，在更高濃度鹽溶液也表現(xiàn)出高效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，該裝置的原材料成本低可再生，制造過(guò)程簡(jiǎn)單，為海水淡化提供了一個(gè)很有前途的方法。Xu Ning團(tuán)隊(duì)將簡(jiǎn)單處理后的食用干香菇整個(gè)進(jìn)行炭化，炭化香菇被放置在穿孔的聚苯乙烯中漂浮在水面上。光照強(qiáng)度為1kW/m-2下，水蒸發(fā)量1.475kg/（m2·h），炭化后香菇表面粗糙度增加，有利于光吸收，炭化香菇下面的纖維莖可以通過(guò)毛細(xì)管力將水源吸入香菇上面的傘部，傘部多孔結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)提供了理想的蒸發(fā)水通道，蘑菇本身的幾何形狀可以大大減小熱損失。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了蘑菇作為太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生的低成本材料的隱藏天賦，而且也為高性能太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換設(shè)備的未來(lái)發(fā)展提供了啟發(fā)。Zhang Chaofan團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位化學(xué)氣相沉積方法，制備了由碳納米纖維裝飾的碳化絲瓜絡(luò)組成的復(fù)合材料，組成自浮的太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生裝置，上層為碳納米絲瓜絡(luò)復(fù)合材料，中層為親水棉墊作為水輸送層，下層為以疏水性乙烯乙酸乙烯酯泡沫作為載體，此裝置表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換能力，由于光熱轉(zhuǎn)換和獨(dú)特的二維水通道的協(xié)同功能，在1kW/m2太陽(yáng)照射下，實(shí)現(xiàn)了高水蒸發(fā)率1.72kg/（m2·h）和光熱轉(zhuǎn)換效率92.5%。還驗(yàn)證了裝置在模擬污水和染料溶液凈化、海水淡化中的應(yīng)用，海水淡化和模擬污水蒸發(fā)出來(lái)的純凈水離子濃度遠(yuǎn)低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的濃度。收集的染料溶液的純化水為無(wú)色透明，此外裝置在回收和長(zhǎng)期使用方面顯示出穩(wěn)定的性能。

3 金屬類(lèi)

Xu Ying團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有氧化銅納米線(xiàn)網(wǎng)的多功能光熱材料，納米線(xiàn)網(wǎng)具有吸水、輸送水以及高光吸收能力，銅離子在蒸發(fā)過(guò)程中可持續(xù)釋放殺菌，可以抑制細(xì)菌在原水中和物質(zhì)表面生成，光照強(qiáng)度為1kW/m2照射下，光熱轉(zhuǎn)換效率最大可達(dá)到93%，幾次循環(huán)使用后產(chǎn)水率仍然為1.42kg/（m2·h）。氧化銅納米線(xiàn)在原水中的污染物降解方面起到很大作用，還有明顯的抗菌作用，因此，該材料在太陽(yáng)能蒸餾的純水生產(chǎn)中具有很大的應(yīng)用潛力。Xu Ning團(tuán)隊(duì)受睡蓮層次結(jié)構(gòu)啟發(fā)制造一種裝置，頂部太陽(yáng)能吸收器是納米結(jié)構(gòu)銅泡沫，底部的支架是由隔熱聚苯乙烯泡沫鉆通孔。為了增強(qiáng)銅泡沫對(duì)太陽(yáng)的吸收，通過(guò)化學(xué)蝕刻轉(zhuǎn)化銅泡沫表面成刀狀的納米結(jié)構(gòu)，表面再涂上一層氧化鋁，并用碳黑納米顆粒裝飾保護(hù)表面，銅泡沫含有微米大小的孔，用于蒸汽逃逸，在頂部疏水吸收器和底部支架之間形成一個(gè)薄水層，被吸收的太陽(yáng)能將集中在這一薄水層，所以薄水層是太陽(yáng)蒸發(fā)的關(guān)鍵，這種裝置可以在高鹽度的鹵水或廢水中實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的太陽(yáng)蒸發(fā)，而且沒(méi)有表面鹽積累，直到得到水和溶質(zhì)的完全分離，具有很好的運(yùn)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

碳基類(lèi)、生物質(zhì)類(lèi)、金屬類(lèi)光熱蒸發(fā)器具有各自?xún)?yōu)勢(shì)，隨著界面太陽(yáng)能蒸氣的技術(shù)逐漸成熟，必將成為海水淡化和水處理方向的關(guān)鍵領(lǐng)域。