亲水性增强型玉米秸秆基光热材料制备及应用

• 作 者: 冯杰
• 机 构: 长安大学
• 出 处: 长安大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 界面太阳能蒸汽 玉米秸秆 亲水性 海水淡化 重金属废水处理

随着人类社会和现代工业的快速发展,淡水资源日益减少,已成为威胁人类生存的最严重问题之一。为了解决这一问题,人们开发了许多水净化技术,其中界面太阳能蒸汽（ISSG）技术被认为是一种环境友好和节能的技术。然而,它仍然存在许多挑战（如材料成本高、制造工艺复杂、回收困难、难以大规模生产等）。生物质基光热转换材料因其成本低、易获取、可持续性强等优点,是一种极具发展潜力光热材料。然而长期海水淡化过程中,由于界面层水分蒸发迅速,蒸发器表面会出现严重的积盐现象。单纯依靠生物质固有的亲水性和多孔结构很难去除蒸发器表面的盐分,导致蒸发速率降低,甚至损坏蒸发器。因此,本文制备了一种基于亲水改性玉米秸秆的新型太阳能蒸发器。首先用柠檬酸浸泡法对天然玉米秸秆进行装饰,以提高其亲水性。随后,用35 wt%硫酸将亲水性增强的玉米秸秆碳化（这里命名为CCSH）,以增加其光吸收。其次,受植物蒸腾作用的启发,构建了CCSH-界面太阳能蒸汽（CCSH-ISSG）系统。最后,将该系统应用于海水淡化和重金属废水处理,并对其蒸发性能和重金属吸附性能进行了测试。主要研究结论如下:（1）CCSH-ISSG光热材料的制备及其蒸发性能分析以废弃的玉米秸秆作为基体,柠檬酸为羧基基团引入剂,硫酸为碳化剂,制备了一种高亲水性、高吸光性的光热材料。利用SEM、FT-IR、XRD、接触角仪和UV-VIS-NIR光谱对光热材料进行了表征,通过探究其在纯水中的蒸发性能来评价其光热转换表现。结果表明,柠檬酸改性后玉米秸秆具有良好的亲水性,吸水率从138 wt%提高到337wt%。在300-1000 nm的宽带波长范围内,通过硫酸脱水碳化使光吸收提高到96.5%。蒸发实验结果表明,CCSH-ISSG的蒸发速率和效率在1 sun(1k W m-2)分别可达1.422kg m-2 h-1和89.3%,并且CCSH还拥有良好的稳定性和循环性。（2）CCSH-ISSG的抗盐机理探究及其海水蒸发性能研究在长期的海水淡化过程中,界面太阳能蒸发方式会导致蒸发器表面有大量盐积累问题。这些累积的盐晶体会破坏蒸发器,降低其蒸发效率和增加设备的后期维护费用。因此,通过对CCSH-ISSG在不同浓度人工配置盐水中的实际蒸发性能和表面盐凝结情况,评估其在海水淡化中应用的可行性和探究其抗盐机理。实验结果表明,由于柠檬酸的亲水性改善,在人工配置的20 wt%盐水中,CCSH-ISSG的蒸发速率和效率也分别达到1.301kg m-2 h-1和81.9%。随着蒸发时间的延长,蒸发器表面也没有发现盐沉积现象。同时,室外阳光下的海水淡化实验结果也表明,CCSH-ISSG对渤海的海水进行净化后所产生的淡水水质优良,完全符合世界卫生组织对饮用水水质的要求。此外,在弱光强下(<1 k W m-2),CCSH-ISSG的蒸发效率仍保持在80%以上,这为其长期稳定的海水淡化应用提供了重要的理论价值。（3）CCSH-ISSG的重金属废水界面太阳能蒸发研究在重金属废水处理中,蒸发法因其效率高、适应性强、不需要使用其他化学试剂等优点得到了广泛的应用。然而,在一些高酸性废水的处理过程中,由于运行成本高,设备腐蚀严重,限制了其进一步的应用。因此,针对不同浓度的氧化剂、酸度和其他共存离子存在的情况,对CCSH-ISSG处理重金属废水的可行性进行了探讨。实验结果表明,在含有酸或氧化剂溶液中,CCSH-ISSG的光热转换能力均不受影响。即使在强酸（p H=2）和强氧化剂（3 mol/L HNO3）下也只是令CCSH-ISSG的光热转换效率略微降低。此外,CCSH还具有良好的重金属离子去除能力和耐用性,对处理后收集到的冷凝水检测发现添加的五种重金属离子均下降了3-5个数量级,重金属离子截留率达到了99.9%,并且处理废水后CCSH的亲水性也没有破坏。