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行業(yè)新聞
一種光熱轉(zhuǎn)化碳纖維，將助力海水淡化
發(fā)布時間：2018-12-17 11:46:00
作者：admin
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來源：中科院寧波材料所|
用光熱轉(zhuǎn)化原理進(jìn)行海水淡化，是一種低成本、低維護(hù)的海水淡化技術(shù)。大家熟知的是，太陽能作為一種清潔可持續(xù)的綠色能源成為近年來能源轉(zhuǎn)化利用的焦點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)于光伏發(fā)電、光催化及光熱轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。
目前的光熱轉(zhuǎn)化材料主要有碳基材料、等離激元材料以及半導(dǎo)體材料等，上述材料由于其自身的物理化學(xué)穩(wěn)定性，在高鹽霧、高溫度、高濕度以及高腐蝕等極端環(huán)境下存在應(yīng)用局限，比如高鹽海水（10wt%）、苦咸水、強(qiáng)極性有機(jī)溶劑、油水乳液等多介質(zhì)的分離及純化等。
為解決上述問題，中科院寧波材料所先進(jìn)功能膜團(tuán)隊劉富研究員設(shè)計并制備了一種具有超穩(wěn)定環(huán)境耐受性的碳纖維材料，用于光熱轉(zhuǎn)化多介質(zhì)純化。
研究團(tuán)隊通過水熱合成技術(shù)在碳纖維表面引入穩(wěn)定的碳層，提高表面粗糙度，比表面積增加到0.5m2g，在波長為200-2500nm的光吸收由改性前的89%提升到97%；并且碳化改性過程中有部分極性官能團(tuán)引入，改性后的碳纖維的表面極性提高，極性表面能提高到20mM/m，使得碳纖維能夠依靠纖維之間的毛細(xì)力對液體（水或者有機(jī)溶劑）進(jìn)行自提取，不需要附加額外的汲取材料，簡化了太陽能蒸發(fā)器件的設(shè)計。編織后的碳纖維層可直接作為汲水及光熱轉(zhuǎn)化層進(jìn)行多種介質(zhì)的純化。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳化改性后的碳纖維的光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到92.5%，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽下對海水的光熱轉(zhuǎn)化速率達(dá)到1.47Kgm-2h-1，在五個標(biāo)準(zhǔn)太陽下光熱轉(zhuǎn)化速率為～5.86Kgm-2h-1，并且對高鹽海水（模擬死海海水，鹽濃度10wt%）具有長期穩(wěn)定的脫鹽效果，碳纖維蒸餾器在室外連續(xù)運(yùn)行10天，每天的產(chǎn)水量穩(wěn)定在～7Kgm-2，并保持穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度。由于碳纖維豐富的多級纖維結(jié)構(gòu)及良好的毛細(xì)汲水能力，對于高鹽海水在纖維表面的結(jié)晶具有良好的溶解及自修復(fù)能力，結(jié)晶析出在碳纖維表面的鹽經(jīng)過一晚上靜置，會重新溶解到海水中，從而不會影響碳纖維的光熱轉(zhuǎn)化效果。此外，改性后的碳纖維對于水包油乳液（非揮發(fā)性硅油）具有良好的去除效果，水中硅油含量可由10000ppm降低到11.9ppm；可對印染行業(yè)中含染料的有機(jī)溶劑如二甲基乙酰胺進(jìn)行純化，表現(xiàn)出良好的脫色及純化效果，染料去除率達(dá)99.99%，蒸發(fā)速率為0.98Kgm-2h-1，并且可以長期耐受強(qiáng)極性有機(jī)溶劑二甲基乙酰胺（浸泡10天），其機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生變化。
上述結(jié)果表明碳化改性碳纖維材料，在多介質(zhì)純化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如高鹽海水脫鹽，有機(jī)溶劑脫色，油水乳液脫油等，大大拓展了目前碳纖維以及光熱轉(zhuǎn)化材料在溶劑純化方面的應(yīng)用領(lǐng)域。
用光熱轉(zhuǎn)化原理進(jìn)行海水淡化，是一種低成本、低維護(hù)的海水淡化技術(shù)。大家熟知的是，太陽能作為一種清潔可持續(xù)的綠色能源成為近年來能源轉(zhuǎn)化利用的焦點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)于光伏發(fā)電、光催化及光熱轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。
目前的光熱轉(zhuǎn)化材料主要有碳基材料、等離激元材料以及半導(dǎo)體材料等，上述材料由于其自身的物理化學(xué)穩(wěn)定性，在高鹽霧、高溫度、高濕度以及高腐蝕等極端環(huán)境下存在應(yīng)用局限，比如高鹽海水（10wt%）、苦咸水、強(qiáng)極性有機(jī)溶劑、油水乳液等多介質(zhì)的分離及純化等。
為解決上述問題，中科院寧波材料所先進(jìn)功能膜團(tuán)隊劉富研究員設(shè)計并制備了一種具有超穩(wěn)定環(huán)境耐受性的碳纖維材料，用于光熱轉(zhuǎn)化多介質(zhì)純化。
研究團(tuán)隊通過水熱合成技術(shù)在碳纖維表面引入穩(wěn)定的碳層，提高表面粗糙度，比表面積增加到0.5m2g，在波長為200-2500nm的光吸收由改性前的89%提升到97%；并且碳化改性過程中有部分極性官能團(tuán)引入，改性后的碳纖維的表面極性提高，極性表面能提高到20mM/m，使得碳纖維能夠依靠纖維之間的毛細(xì)力對液體（水或者有機(jī)溶劑）進(jìn)行自提取，不需要附加額外的汲取材料，簡化了太陽能蒸發(fā)器件的設(shè)計。編織后的碳纖維層可直接作為汲水及光熱轉(zhuǎn)化層進(jìn)行多種介質(zhì)的純化。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳化改性后的碳纖維的光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到92.5%，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽下對海水的光熱轉(zhuǎn)化速率達(dá)到1.47Kgm-2h-1，在五個標(biāo)準(zhǔn)太陽下光熱轉(zhuǎn)化速率為～5.86Kgm-2h-1，并且對高鹽海水（模擬死海海水，鹽濃度10wt%）具有長期穩(wěn)定的脫鹽效果，碳纖維蒸餾器在室外連續(xù)運(yùn)行10天，每天的產(chǎn)水量穩(wěn)定在～7Kgm-2，并保持穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度。由于碳纖維豐富的多級纖維結(jié)構(gòu)及良好的毛細(xì)汲水能力，對于高鹽海水在纖維表面的結(jié)晶具有良好的溶解及自修復(fù)能力，結(jié)晶析出在碳纖維表面的鹽經(jīng)過一晚上靜置，會重新溶解到海水中，從而不會影響碳纖維的光熱轉(zhuǎn)化效果。此外，改性后的碳纖維對于水包油乳液（非揮發(fā)性硅油）具有良好的去除效果，水中硅油含量可由10000ppm降低到11.9ppm；可對印染行業(yè)中含染料的有機(jī)溶劑如二甲基乙酰胺進(jìn)行純化，表現(xiàn)出良好的脫色及純化效果，染料去除率達(dá)99.99%，蒸發(fā)速率為0.98Kgm-2h-1，并且可以長期耐受強(qiáng)極性有機(jī)溶劑二甲基乙酰胺（浸泡10天），其機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生變化。
上述結(jié)果表明碳化改性碳纖維材料，在多介質(zhì)純化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如高鹽海水脫鹽，有機(jī)溶劑脫色，油水乳液脫油等，大大拓展了目前碳纖維以及光熱轉(zhuǎn)化材料在溶劑純化方面的應(yīng)用領(lǐng)域。
