用铜/银纳米粒子改性的玄武岩织物，作为一种耐盐的太阳能蒸发器，用于全天候的微咸水淡化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Basalt fabric functionalized with Copper/Silver nanoparticles as a salt-tolerant solar evaporator for all-weather brackish water desalination

　　

摘要

太阳能界面蒸发是一种可持续的解决淡水短缺问题的方法，但其实际应用受到太阳能量间歇性和盐分污染的限制。本文开发了一种全天候光热电界面蒸发器，使用玄武岩织物（BF）作为耐用的无机基底。该设备结合了涂有碳黑的光热层（CB@BF）、封装有聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT-Ag/Cu@BF）的银铜纳米颗粒电热层、棉织物水传输层以及硅胶橡胶密封的向下蒸汽导管。在1太阳光照和1.5伏特的超低电压下，该蒸发器的蒸发速率分别为：纯水8.66千克/平方米·小时，实际微咸水7.69千克/平方米·小时，人工海水5.75千克/平方米·小时；在10.5重量百分比NaCl溶液下仍能保持4.25千克/平方米·小时的蒸发速率。光热层表现出超过99%的宽频太阳光吸收率，以及86.49%的太阳光到蒸汽的转化效率。该系统对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）具有99%以上的离子排斥率和100%的抗菌效率。户外蒸发测试验证了其稳定的全天候运行能力，白天和夜间的最大蒸发速率分别为8.13千克/平方米·小时和1.78千克/平方米·小时。这种低电压、耐盐和抗菌的蒸发器为分散式微咸水淡化提供了一个可靠且可扩展的平台。

引言

淡水对于维持人类生活和生产活动至关重要。然而，全球人口的增长、气候变化以及快速工业化导致的水污染使得淡水资源变得日益紧缺。因此，探索新的淡水获取途径具有重要意义[1]。海水和微咸水占地球总水资源的97%。海水淡化和微咸水淡化已成为解决淡水短缺问题的流行和关键技术。传统的淡化技术，如反渗透[2]和多效蒸馏[3]，虽然能够实现大规模的盐分去除，但受到高能耗、复杂系统配置和高维护成本的严重限制。此外，这些技术对化石燃料电力的依赖加剧了碳足迹，违背了全球可持续性的要求。因此，开发低碳、节能和可持续的淡化技术迫在眉睫。

太阳能界面蒸发（SIE）作为一种绿色、低成本且无污染的技术，自Ghasemi等人首次提出以来受到了广泛的研究关注[4]。与传统热蒸发方法不同，后者通过底部或整体加热水导致大量能源浪费，SIE仅在空气-液体界面精确加热水，从而显著提高了能源利用效率[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。SIE系统通常由三个关键部件组成：具有优异光热转换能力的 photothermal 层、能够快速将水输送到界面的水传输层，以及最小化热损失的绝缘层。在各种光热材料中，碳黑（CB）因其宽带光吸收、出色的化学耐腐蚀性和多孔结构而特别适用于界面蒸发[10]。例如，Zhang等人[11]制造了一种高效的光蒸发器，使用CB作为光热吸收剂和醋酸纤维素作为聚合物基质，在1太阳光照下实现了1.48千克/平方米·小时的蒸发速率和98.6%的光热转换效率。基底材料的耐久性同样重要：像棉花和苎麻这样的纺织材料虽然具有良好的毛细水传输性和灵活性，但在高盐度和微生物攻击下容易降解[12]、[13]。相比之下，玄武岩织物（BF）是一种从天然玄武岩通过熔融纺丝制成的无机纤维材料，具有出色的机械强度、化学耐腐蚀性和热稳定性，是构建长寿命SIE系统的理想选择[10]。

然而，传统SIE系统在低光照条件或夜间性能会显著下降[14]。因此，将光热效应与电热效应结合在一起是必要的，以克服传统光热技术效率低和依赖阳光的局限性，从而实现全天候连续生产淡水[15]。关于电热材料，银（Ag）和铜（Cu）由于高电导率而经常被选用[16]、[17]；但Cu在空气中容易氧化，而Ag的成本较高，这限制了其大规模应用[18]。Kim等人[19]证明，Ag/Cu复合材料可以有效减轻Cu的氧化，同时减少贵金属Ag的使用，为优化电热层提供了可行的策略。除了实现高蒸发速率外，SIE系统的淡水收集效率同样重要。传统系统通常使用半球形[20]、圆锥形[21]、三角形斜坡[22]或其他几何形状的外部透明冷凝器进行蒸汽收集。然而，外部收集会延长蒸汽到达外部冷凝壁的路径，从而降低冷凝效率。此外，冷凝在壁上的液滴会散射或吸收入射光，导致光损失[23]。

为了解决上述问题，本研究设计并制造了一种集成的、低电压驱动的、耐腐蚀且高效的全天候光热电界面蒸发器。主要由CB组成的光热层实现了超过99%的宽频太阳光吸收。电热层通过沉积Ag/Cu双金属纳米颗粒并涂覆保护性的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）薄膜制成，形成在1.5伏特超低电压下产生大量焦耳热的连续导电网络。在1太阳光照和1.5伏特电压输入的协同作用下，该集成蒸发器的蒸发速率分别为：纯水8.66千克/平方米·小时；中国新疆艾丁湖的实际微咸水7.69千克/平方米·小时，人工海水5.75千克/平方米·小时，以及高盐度（10.5重量百分比NaCl）条件下的4.25千克/平方米·小时。所有测试水的离子排斥率均超过99%，净化后的水质完全符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。通过100小时的连续运行和九次循环测试验证了其长期稳定性；户外现场实验进一步证明了其在实际变化气候条件下的可靠全天候性能。总体而言，这项工作为分散式微咸水和海水淡化提供了一个可扩展、节能且环境友好的技术平台，为全球淡水短缺问题提供了有希望的解决方案。

章节摘录

化学物质和材料来源

直径为13微米、比表面积为300平方米·克的玄武岩织物（BF）由贵州新鑫玄武岩科技有限公司（中国六盘水市）提供。棉织物（LEOUEANR，一次性面巾纸）在淘宝（中国）购买。碳黑（CB）由江苏先锋纳米材料科技有限公司（江苏）提供。十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和藻酸钠（SA）由天津光明精细化学研究所（天津）提供。

CB@BF和PEDOT-Ag/Cu@BF蒸发器的特性

由于CB的宽带光吸收和成本效益，光热层经过优化，加载了0.1-0.5重量百分比的CB。Ag/Cu纳米颗粒结合了Ag的强抗菌活性和Cu的高催化活性，表现出优异的电导率和结构稳定性，显著提高了纳米复合材料的电热转换效率。Ag/Cu纳米颗粒通过浸渍加载到BF上，随后用导电的PEDOT:PSS薄膜封装，形成

结论

本研究提出了一种基于玄武岩织物的光热电界面蒸发器，集成了CB@BF光热层、PEDOT-Ag/Cu@BF电热层、棉织物水传输层和硅胶橡胶密封的向下蒸汽导管。在1太阳光照和1.5伏特超低电压的共同作用下，该设备的蒸发速率分别为：纯水8.66千克/平方米·小时，实际微咸水7.69千克/平方米·小时，人工海水5.75千克/平方米·小时

CRediT作者贡献声明

马鹏程：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法论、资金协调、数据管理。马文瑞：撰写——审稿与编辑。迪利宾乌尔·尼亚齐迈迈蒂：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念构思。阿布杜克埃梅乌·卡迪尔：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、方法论、资金协调、数据管理。周春红：撰写——审稿与编辑。吉兹兰·阿查格里：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢新疆人才发展基金（XJRC-2025-KJ-PY-KJLJ-012）、新疆维吾尔自治区天池博士计划（资助编号E4396203）和新疆维吾尔自治区天池博士计划（资助编号E4396305）的财政支持。

Dilibinuer Niyazimaimaiti|Ying-Lin He|Zhuo Chen|Anand Parkash|Jincheng Wu|Ghizlane Achagri|Chun-Hong Zhou|Yuan Fan|Wen-Rui Ma|Peng-Cheng Ma|Abudukeremu Kadier

中国科学院新疆物理化学技术研究所分离材料与技术重点实验室，中国乌鲁木齐 830011