活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭蒸馏系统产生清洁水

　　阳光，这是一种可再生且几乎无限的能源。典型的传统太阳能蒸馏系统由底部的光热层和用于冷凝水蒸气的倾斜表面组成。入射太阳光被源水和光热层吸收，然后将吸收的光转化为热能以加热整个水体以产生太阳能蒸汽。虽然太阳能蒸馏已经使用了很长时间，但由于太阳能对水的吸收差、大量水加热和对水浑浊的敏感性，传统太阳能蒸馏的效率往往受到限制。为了克服传统太阳能蒸馏的潜在问题，研发使用活性炭材料来增强生产太阳能蒸汽。

　　活性炭界面蒸发装置的构建

　　两种类型的材料被用作光热层，活性炭与二氧化钛和片状石墨混合。在制造过程之前，首先被手动研磨成更小的碎片。将30mgPVDF膜溶解在2毫升NMP中。此后，将220毫克活性炭加入到溶液中，然后涡旋振荡30分钟。然后，将50mg二氧化钛添加到活性炭分散体中，然后涡旋振荡30分钟并超声处理1小时以获得均匀的分散体。最后，使用刮刀将活性炭载钛材料粘贴在晶状体组织上，形成直径为3.5厘米的圆形。该技术被认为是一种快速且不消耗能量的过程，用于均匀且可重复地生产具有指定膜厚的薄涂层。载有活性炭的镜片纸在50℃的烘箱中干燥。为了制造载有石墨的镜片组织，用270毫克石墨代替活性炭和二氧化钛。将装有不同光热材料的镜片组织样品放置在PE泡沫(2厘米厚)上以构建界面蒸发装置(即活性炭/泡沫、石墨/泡沫)。选择PE泡沫是因为它的低导热性。活性炭/泡沫和石墨/泡沫的图片如图1(a)和(b)所示。

　　图1：(a)活性炭/泡沫和(b)石墨/泡沫的图片。(c)不同光热层的UV-vis-NIR吸收光谱。

　　材料参数分析

　　光吸收越高，材料吸收的光就越多，从而增加了可利用的太阳能。活性炭、载钛活性炭和石墨的UV-vis-NIR吸收光谱如图1(c)所示。与石墨相比，含活性炭的材料在UV-vis-NIR区域吸收更多的光，表明含活性炭的材料是更好的光热材料。装载有载钛活性炭的晶状体组织样品的SEM图像和EDS光谱也支持材料中存在二氧化钛。晶状体组织纤维表面在加载活性炭后变得相当粗糙(图2(a)-(c)))。EDS光谱进一步证实了光热层活性炭中二氧化钛的存在(图2(d))。此外，载钛活性炭图像(图2(e))的EDS元素映射(Ti元素)显示Ti元素均匀分布在材料表面，表明二氧化钛成功掺入到光热材料中。

　　图2：(a)原始镜片组织(b)仅装有活性炭的镜片组织和(c)装有载钛活性炭的镜片组织的SEM图像。(d)载钛活性炭的EDS光谱和(e)载钛活性炭的EDS钛元素映射。

　　活性炭净水生成VOC去除和咸水淡化

　　利用内置载钛活性炭/泡沫的太阳能蒸馏器系统在实验室规模(通过太阳模拟器)和实际阳光下进行清洁水生成实验，以了解系统的适用性。不同的水基质，包括含VOC的水和合成盐水，作为源水。将含有VOC的水基质用作源水，以探索通过太阳能蒸馏器中的载钛活性炭/泡沫界面系统同时去除VOC的蒸馏水收集的可能性。为了首先了解合成的载钛活性炭的吸附/光催化能力，在烧杯中使用10mgL-1苯酚溶液，水浴温度控制在20℃和载钛活性炭片材进行苯酚去除测试(没有PE泡沫)被放置在烧杯底部，从而将其完全浸没在苯酚溶液中。苯酚在阳光直射光解下保持稳定，通过载钛活性炭的纯吸附去除了近40%。此外，在光照下，大约20%的苯酚被进一步去除。还可以观察到使用载钛活性炭在黑暗和照明下去除苯酚的不同趋势。光照下苯酚去除趋势的变化表明掺入材料中的二氧化钛光催化剂参与了光催化过程。因此，载钛活性炭显示出通过吸附和光催化降解相结合来降解溶液中苯酚的能力。

　　图3：辐照下的红外图像，浸没的载钛活性炭(顶部)和载钛活性炭/泡沫(底部)。

　　除了能够防止VOC富集外，还研究了太阳能蒸馏器系统在真实阳光下的脱盐能力，以评估该系统的应用潜力。在本实验中，使用合成盐水作为实验溶液来模拟海水的平均盐度(3.5wt%)。在使用载钛活性炭/泡沫的太阳能蒸馏过程后，Cl-和Na+蒸馏水中的水平分远低于饮用水指导值。总体而言，高蒸馏水生产率和可接受的水质表明使用界面蒸发装置进行脱盐的太阳能蒸馏的功效。

　　通过结合活性炭、二氧化钛、镜片纸和PE泡沫等容易获得的材料，成功地建立了具有高蒸汽发生效率的界面蒸发装置。载钛活性炭从紫外到近红外区域表现出优异的光吸收性，因此可以产生更多的热能来蒸发器件表面的水膜。此外，PE泡沫的低热导率限制了大量水的热损失，从而能够有效利用设备表面产生的热能。载钛活性炭的高光吸收和热定位由PE泡沫诱导一起促进蒸汽产生性能和使载钛活性炭/泡沫优异的蒸发装置，不仅蒸发性能稳定，甚至经过多次循环测试，而且受水中悬浮物的影响较小。除了更好的蒸汽产生性能外，载钛活性炭还被证明能够通过在光照下的吸附和光催化去除水中的VOC(苯酚约95%的去除效率)。此外，户外太阳能蒸馏实验的结果表明，所制造的载钛活性炭/泡沫装置的脱盐能力导致蒸馏水质量很容易满足WHO饮用水指南。总体而言，该装置在产水、防止VOC富集和脱盐方面具有良好的能力，在太阳能蒸馏方面显示出巨大的潜力。

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