利用Fe/Ni–TiO?纳米流体驱动的光催化技术，通过太阳能实现水中的有机污染物和药物污染物的去除

《Separation and Purification Technology》：Solar water purification driven photocatalytic removal of organic and pharmaceutical pollutants using Fe/Ni–TiO? nanofluids

　　帕伊拉·萨西·库马尔|文卡特斯瓦拉·拉奥·安娜|阿卜杜拉·阿尔加菲斯|马哈茂德·S.埃尔-塞巴伊|阿卜杜拉·阿尔拉希迪|S.沙努曼印度安得拉邦贡图尔瓦德斯瓦兰格林菲尔兹拉克什玛亚教育基金会，化学系，邮编522502摘要本研究旨在评估由棕榈果制成的双金属掺杂TiO2纳米流体在用铝罐制成的低成本太阳能蒸馏装置中处理有机污染物和药品污染物的能力。由于对可见光有更强的吸收能力以及更有效的电荷分离功能，来自棕榈果的双金属掺杂（铁和镍）TiO2表现出比纯TiO2高38%的光催化活性。结构分析表明，这两种金属已成功掺入TiO2（锐钛矿结构），其结晶度为25.3°、37.8°、48.0°、53.9°和62.7° d/sp-1，晶体尺寸在12到25纳米之间。吸收峰从380纳米上升至约420纳米，表明其对可见光的敏感度提高。扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像显示，含有20%棕榈果成分的样品产生了更多尺寸更小的多孔纳米结构（30–50纳米），而纯TiO2的纳米结构尺寸为60–80纳米。由于添加了棕榈果纳米流体，可用于催化反应的表面积增加。棕榈果纳米流体的泽塔电位值在5%到15%的浓度范围内呈良好分散状态（+18到+14毫伏），但浓度超过15%时开始出现聚集现象。随着棕榈果纳米流体浓度从0%（0.39 Wm?1 K?1）增加到15%（0.76 Wm?1 K?1），其热导率显著上升，从而提升了太阳能蒸馏装置中的热量传递效率。添加棕榈果纳米流体还提高了蒸发表面的润湿性（15%浓度下接触角为35.5°，而纯TiO2为92.5°）。接触角的降低有助于形成薄膜，进而提升蒸发效率。实验表明，铝罐太阳能蒸馏装置在15%的棕榈果纳米流体浓度下可实现最佳蒸发效率（0.96千克/平方米/小时），并能去除91–97%的污染物。使用棕榈果纳米流体后，每日处理的用水量从3.69升/平方米/天（1346.85升/平方米/年）增加到5.42升/平方米/天（1978.3升/平方米/年），提升了46.8%，同时热效率也从29.6%（仅能运行37天）提高到43.5%（可运行一整年）。在夏季，每小时蒸馏水量为300至310毫升；而在冬季，由于水池温度仅能达到72–77摄氏度，每小时蒸馏水量仅为120–130毫升。不过，当棕榈果纳米流体的浓度超过20–25%，或纳米颗粒数量过多时，会导致纳米颗粒聚集、粘度增加以及光学散射增强，从而降低装置性能。将棕榈果纳米流体与回收铝罐制成的太阳能蒸馏装置结合使用，可带来以下优势：a) 太阳能吸收率提高30–45%；b) 热效率提高50–85%；c) 光催化降解效果更好；d) 蒸发速度加快。这种光催化-蒸馏组合系统是一种成本低、环保且适合农村及缺乏公共设施地区的分布式水处理方法。引言铝罐太阳能蒸馏装置的性能会受到污染、对阳光依赖程度以及纳米流体稳定性的限制。要大规模处理水垢较为困难，重复使用可能会降低效率，而且可能还需要额外的处理步骤才能满足饮用水标准。该技术的广泛应用还受到持续运行机制研究不足以及新型污染物出现的限制。穆罕默德·本加内姆等人[1]研究表明，三层结构的工程化MSD@Case-3型太阳能蒸馏装置性能更为优异，其蒸馏产量可达11.66升/平方米，热功增益分别为62.29%和191.16%，淡水成本降低了48.22%，二氧化碳排放量减少了47.81吨。阿兹-佐比等人[2]建立了包含扰动项的广义非线性薛定谔方程，并利用RSEM和MSEM方法得到了明亮、黑暗和特殊条件下的光学孤子解，这些解是通过分数非线性演化方程生成的。阿尔拉希迪等人[3]表明，将铝制贝壳吸热器与DTRF预测模型相结合，可以提高水池温度，优化冷凝过程，使太阳能蒸馏装置的产量提升约60%，其性能预测的机器学习准确率超过0.95。马哈茂德等人[4]证明，在球形蒸馏装置中加入Y?O?纳米流体并与外部太阳反射器结合使用，可显著提升光热耦合效应，提高淡水产量和能量-功效率，同时确保这种分散式海水淡化方法具有经济可行性。布萨诺娃等人[5]发现，在单斜面太阳能蒸馏装置中加入金、银和铜纳米流体（浓度为0.001%，尺寸约40纳米），可显著提升光热耦合效果，其中金纳米流体带来的蒸馏产物产量和效率提升最为明显。贝加斯等人[6]的分析表明，在半球形太阳能蒸馏装置的水池中加入高导热性的铝废料，可提高太阳能吸收率、储热能力和蒸发能力，从而使生产效率提升48%，且与传统材料相比热效率也有显著提高。科特拉等人[7]指出，在单池太阳能蒸馏装置中加入二氧化钛纳米流体以及铝银复合材料，可优化太阳热能捕获效率，使装置的日产量提升至约8.4千克/平方米，同时大幅提高季节性工作效率。阿兹-佐比[8]运用简单方程法和修正后的简单方程法，为范德瓦尔斯气体系统找到了精确的行波折点解。此外，刘国华等人[9]发表了关于用于太阳能辅助蒸汽生产的黑色光热材料的综述，重点介绍了碳基、等离子体型和半导体型吸热材料。他们不仅概述了将光高效转化为热能的方法，还介绍了光热板设计方面的最新进展，以及在这些材料用于水处理、海水转化和可再生能源生产过程中实现蒸汽释放的有效策略。刘国华和陈婷[10]介绍了太阳能蒸发的基本原理，涵盖了光热转换、热量和质量传递、先进材料、系统设计、仿真技术，以及在清洁水生产、可再生能源生成和可持续资源回收领域的实际应用。阿提亚等人[11]发现，在圆锥形蒸馏装置中加入负载铜氧化物纳米粒子的棉绳，可有效提升太阳能吸收效率和毛细作用驱动的蒸发效率，从而使蒸馏产物产量提升超过150%，带来显著的经济效益。阿尔萨利赫等人[12]表明，将银纳米粒子强化相变材料与波纹吸热器和CPC盘管加热装置结合使用，可显著提升热保持能力、功性能以及淡水产量，其中大豆蜡带来的整体提升效果最为显著。阿里等人[13]证明，从回收铝罐中提取的纳米级铝颗粒可提升太阳能蒸馏装置的效率，使其热导率、吸光率和淡水产量分别提升369%，同时还能保持近乎合格的水质。阿拉赫马迪等人[14]通过优化多磁极结构，提升了圆锥形太阳能蒸馏装置的蒸发效率、储热能力和分子活性，使其日产量达到10.26升/平方米，功增益达238%，成本则降低了50%。阿卜杜拉希等人[15]采用带真空管的抛物面槽式集热结构优化太阳能海水淡化技术，提升了热吸收效率，使水产量提升了207%，在干旱地区仅需2年左右即可收回投资成本。阿卜德尔·梅吉德等人[16]对基于相变材料的太阳能蒸馏装置进行了分析，认为10毫米深的盐水层加上0.5到1之间的相变材料比例，可实现每天6–7千克/平方米的稳定产出，且在运行过程中能快速达到热平衡状态。阿尔拉希迪等人[17]表明，经过微波处理的Ti?C?Tx/Ag/SC纳米流体可通过提升热导率、比热和光热转换效率，显著改善单斜面太阳能蒸馏装置的性能，使其日产量达到5.34升/平方米，平均热效率为52%。库尔希德等人[18]通过数值模拟研究了弯曲拉伸表面上的混合纳米流体流动情况，发现在这种磁流体动力学、达西-福尔希迈尔效应、焦耳加热和对流边界条件下，热量传递效率会有所提升。纳雷特等人[19]运用Levenberg–Marquardt反向传播神经网络求解霍林III型延迟微分方程，通过统计验证和误差分析证明了该模型的预测精度较高。普拉卡什等人[20]设计了一种带有反射器、散热片、吸液芯和玻璃冷却装置的太阳能驱动ACSJD装置，该装置可使果汁浓度达到38.2°Brix，日蒸馏水量为5.65千克，热传递效率为71.25瓦特/平方米·摄氏度，具有出色的能源经济效益。阿提亚等人[21]在圆锥形太阳能蒸馏装置中优化了2厘米高的铝球布局，当铝球间距为3厘米时，其生产效率可达8400克/平方米，相比其他配置，其储热能力和蒸馏效率提升了46.08%。布迪亚夫等人[22]优化了双斜面太阳能蒸馏装置的凹形槽结构，使其日产量达到5.8升/平方米，产量提升幅度达64.8%，同时热效率、功性能和可持续性指标也优于矩形槽结构的设计。苏雷什等人[23]发现，在太阳能蒸馏装置中加入1.95%浓度的Cu?O纳米流体，可提升热吸收效率、热量传递效率和蒸发速率，从而使淡水产量提升279.6%，同时减少了对环境的影响。阿瓦德等人[24]通过在铝表面涂覆沥青、金属屑并喷涂黑色涂料，优化了太阳能蒸馏装置的性能，使其每日可生产的淡水量增加76.16%。这种改良措施提升了太阳能蒸馏装置的热性能和功性能，同时还将水生产成本降到了每升0.051美元。在另一项研究中，阿拉西里等人[25]通过将铝罐以对角线方式安装在M形吸热器上，提升了太阳能蒸馏装置的效率，使其日产量达到8.09千克/平方米，热效率为42.74%。阿塔亚等人[26]通过对半球形太阳能蒸馏装置的内部和外部结构进行改进（通过计算流体力学分析），发现这类装置每日产量可提升207%，能源效率可提高36–88%，而从海水中获取淡水的成本可降低70%。阿拉西里等人[27]通过使用Mn?O?–Cu纳米复合材料、Paraffin RT31相变材料以及铝罐，提升了M形单斜面太阳能海水淡化装置的效率，使其产量提升25.4%，热效率提升42.7%，季节性淡水生产能力也得到优化。拉姆齐等人[28]发现，将基于石蜡的相变材料、珀尔帖模块和太阳能加热器结合使用，可显著提升单斜面太阳能蒸馏装置的效率，使其生产效率提升131.8%，热效率提升73.5%，同时能源-功性能也有所改善。阿兹-佐比[29]证明，改进后的分解方法可以有效解决无粘性气体流动模型问题，能够生成具有稳定收敛特性的快速收敛级数解。萨胡等人[30]通过使用Al?O?、SiO?以及混合纳米流体，提升了单斜面太阳能蒸馏装置的性能，使其水池最高温度可达71.7摄氏度，效率在深度为0.5厘米时提升了30.27%。埃萨等人[31]的研究表明，为半球形太阳能蒸馏装置配备悬挂式吸液芯、方形挡板、反射器以及含银纳米粒子的相变材料，可使其生产量提升245%，热效率提升65%，日产量可达14升/平方米·天。赛等人[32]研究了在双斜面太阳能蒸馏装置中加入甘蔗汁衍生的ZnO纳米流体，发现这可显著提升热导率，从而加快蒸发速度，最终使装置的最佳工作温度达到72.6摄氏度。萨胡等人[33]发现，在单斜面太阳能蒸馏装置中加入ZnO、SiO?以及ZnO–SiO?纳米流体，可显著提升热导率，使装置的最高温度达到69.8摄氏度。查克马克等人[34]研究了太阳能蒸馏装置中的纳米颗粒作用，发现通过将纳米流体、吸热器、冷凝器和相变材料相结合，可提升10–300%的效率，其中热导率的提升和多模式能量传递的优化是导致效率提升的关键因素。坎特等人[35]指出，在太阳能碟式海水淡化装置中加入Al?O?纳米流体，可提升20.13%的生产效率，同时改善能源-功性能，降低淡水生产成本，还能显著减少二氧化碳排放，显示出这种高性能、可持续的饮用水生产方法的潜力。阿提亚等人[36]通过优化反射箔、金属板材以及磷酸盐颗粒HSS的使用，使得太阳能蒸馏装置的效率提升了8–62%，这得益于更好的太阳光反射效果、更高的储热能力以及水池水温的上升。贝特等人[37]总结了用于优化三角形、堰式、半球形和球形太阳能蒸馏装置设计的各种方法，这些方法旨在提升淡水产量和热经济性能，包括将热能储存技术与纳米流体结合使用、与集热器耦合以及冷却技术等策略。卡比尔等人[38]发现，由于球形太阳能蒸馏装置的几何结构特点，其最高的日平均产水量为5.5千克/平方米，同时具备最佳的能源效率。阿提亚等人[39]通过在圆锥形太阳能蒸馏装置中使用3厘米高的石墨散热片，优化了其储热能力、表面积和热量传递效率，从而使生产效率提升至97.37%，能源效率提升至94.37%，同时还实现了48.26%的成本节约。卡比尔等人[40]发现，具有凹形水池结构的半球形太阳能蒸馏装置可提升其热性能，使其淡水产量达到5.50千克/平方米，效率约为46.43%，从而使生产效率提升了23.0%。Alqsair等人[41]通过在球形太阳能蒸馏器中加入纳米相变材料、反射器、风扇和外部冷凝器，使其生产率达到11.3公斤/平方米/天，相比传统太阳能蒸馏器，其可靠性提升了253%，这一改进使得淡水生产成本降至每公斤0.01美元。Ramzy等人[42]发表了一篇综述，介绍了通过整合纳米流体、相变材料、吸液芯层以及光伏/热电混合系统来提升太阳能蒸馏器性能的最新进展，这些改进使淡水产量提高了大约三倍，同时提升了性能效率与可持续性，还解决了可扩展性、材料及成本相关问题。Ataya等人[43]报告称，采用混合黑沙-石蜡储热装置与盐水混合方式，可提升半球形太阳能蒸馏器的运行性能，从而获得更好的能量利用效果、效用值，以及经济、环境与可持续性表现，进而提高饮用水产量并减少二氧化碳排放。Kumar等人[44]使用绿色二氧化钛/菠萝皮纳米流体，提升了太阳能驱动的太阳能蒸馏系统的效用值与二氧化碳减排效果，并在不同水深和浓度条件下实现了更优的热经济性能。Hammoodi等人[45]对太阳能蒸馏技术的进展进行了综述，指出通过运用纳米流体、吸液芯、相变材料以及真空管系统，可使该技术的生产率提升超过200%。Abulkhair等人[46]通过采用V形波纹槽、吸液芯、相变材料、纳米流体以及纳米颗粒，进一步提升了太阳能蒸馏系统的性能，其热效率提升了101.5%，效用值提升了109.7%，同时饮用水产量提升了76.9%，生产成本则降低了29.7%。Kabeel等人[47]证明，使用连续的圆柱形铁棒作为显热吸收剂，可提升半球形太阳能蒸馏系统的性能，使其饮用水产量达到74%，热效率提升72.3%，淡水生产成本降低41.2%。Al-Obaidi等人[48]总结了锥形太阳能蒸馏器的改进措施，重点提到了纳米流体、石墨鳍片以及真空管集热器的作用，这些改进使效用值提升了高达574%，生产率为10.26升/平方米·天，淡水生产成本降低了50%以上。Kumar等人[49]通过使用ZnO/PVC/生物活性纳米复合材料，提升了双斜面太阳能蒸馏器的性能，使其饮用水产量提升了126%，能源效率得到改善，二氧化碳排放量减少了2.97吨，整体热环境经济性能更为优异。Modi等人[50]利用硝酸钠储热材料和Al?O?纳米流体优化了正四棱锥形太阳能蒸馏器，提升了蒸馏液产量与热效率，验证了相关理论模型，最终实现了每升3.82卢比的成本效益型淡水生产。尽管通过引入纳米流体、相变材料吸液芯层、反射器以及几何结构优化，太阳能蒸馏技术已取得显著进步，但大多数研究仍集中在提升淡水产量与热效用值方面。目前常规改进多采用单金属氧化物纳米流体（如AlO?、ZnO和CuO），而关于双掺杂或多种掺杂的二氧化钛纳米结构的研究则相对较少。关于太阳能蒸馏系统中有机污染物和药物污染物的光催化分解机制，仍有许多有待探索之处。此外，混合光催化-蒸馏系统尚未充分受益于低成本、可规模化且环保的制造技术，比如基于回收铝罐的太阳能蒸馏器。为提升铝罐式太阳能蒸馏器对可见光的吸收能力、电荷分离效率以及光催化活性，本研究建议添加经棕榈果/铁/镍双掺杂的二氧化钛纳米流体，这类纳米流体既能增加蒸馏液产量，又能降低制造成本。这种集成化方法有助于填补低成本、高效率且可持续的太阳能海水淡化技术方面的空白，同时也能解决农村及偏远地区的分散式净水需求问题。当前的研究缺口包括缺乏低成本可回收的设计方案、光催化整合程度不足、对双掺杂二氧化钛效应的研究不够深入、缺乏综合的热光催化-经济-环境评估体系，以及可持续性措施不完善。材料描述实验所用材料包括用作二氧化钛前驱体的钛异丙氧基化合物（Ti[OCH(CH?)?]?）、用作掺杂前驱体的九水合硝酸铁（Fe(NO?)?·9H?O）和六水合硝酸镍（Ni(NO?)?·6H?O），以及作为生物衍生碳载体的棕榈果。分析级乙醇、硝酸和去离子水则被用作溶剂和反应介质。研究中还使用了包括对乙酰氨基酚和布洛芬在内的各类药品及有机污染物作为测试样本。结果与讨论由于全球对安全、清洁饮用水的需求不断上升，研究人员正在致力于开发由可再生能源驱动的高效、可持续的海水淡化技术。太阳能蒸馏因其运营成本低、设计简单且对环境影响小，已成为备受关注的领域。除了使用如铁/镍双掺杂二氧化钛之类的先进复合材料来提升太阳能蒸馏系统吸收太阳能的能力外，近期还有研究着眼于利用废弃物来实现技术改进。结论在本研究中，研究人员利用棕榈果制备了铁/镍双掺杂的二氧化钛纳米流体，用于太阳能蒸馏系统中。通过结合铝罐回收技术，这种混合式方法将光催化降解、光热加热以及太阳能蒸发/冷凝过程整合在一起，提升了纯水的产出效率。由于该纳米流体具备更强的可见光吸收能力，其光催化性能也得到了进一步提升。