太阳能驱动的水蒸发是实现高盐工业废水零排放和低成本浓缩的绿色途径。太阳能界面蒸发器是一种将太阳光吸收和光热转换局限在空气-水界面,从而实现热量局域化、高效产生蒸汽的新型设计。制备高性能的太阳能界面蒸发器,需要一种同时满足高效光吸收与光热转换、良好隔热性和快速供水性的多孔材料。铜纳米线具有优异的导电导热性,且成本低廉。还原氧化石墨烯具有优异的宽光谱吸收能力和化学稳定性。将铜纳米线与还原氧化石墨烯复合,构建三维互联多孔的气凝胶结构,可以充分发挥两者的协同优势。
本研究通过冷冻干燥和后续化学还原法,制备了自支撑的铜纳米线/还原氧化石墨烯复合气凝胶。铜纳米线作为高效的导热网络,迅速将还原氧化石墨烯吸收光能产生的热量传递给周围的水分子,驱动蒸发;还原氧化石墨烯则作为保护层,延缓了铜纳米线在高温和盐水环境中的氧化腐蚀。在一个模拟太阳光(1kW/m²)照射下,该气凝胶漂浮在空气-水界面,展现出了1.52kg/(m²·h)的高蒸发速率,相应的能量转换效率达到93%。这归功于其三维互联大孔结构的快速供水(毛细作用)和超低导热系数(阻止热量向水体深处散失)。
将铜纳米线/还原氧化石墨烯气凝胶用于处理含染料的模拟高盐印染废水。在连续12小时的蒸发实验中,其蒸发速率可以保持稳定,未见明显衰减,产出的蒸馏水清澈透明,电导率低于10μS/cm,染料截留率超过99.9%。其优异的抗盐和抗污染能力归因于其垂直开放的孔道设计和亲水的基质,允许盐离子通过浓差扩散从界面快速迁移回水体本体,而不在蒸发表面达到过饱和结晶。该研究为利用太阳能驱动处理高盐印染废水,同步实现淡水资源回收和染料浓缩,提供了极具前景的可持续方案。
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