生物来源的Fe/Ni–TiO?/ Borassus flabellifer纳米复合材料在M形盆地太阳能蒸馏器中用于结合可见光光催化与增强热能存储

《Sustainable Materials and Technologies》：Bio-derived Fe/Ni–TiO?/ Borassus flabellifer nanocomposites for coupled visible-light photocatalysis and enhanced thermal energy storage in an M-Shaped Basin solar distiller

　　**摘要**
水污染和淡水短缺是全球最紧迫的问题之一。因此，迫切需要可持续的解决方案，这些方案能够利用可再生能源同时淡化海水并去除水中的有机污染物。在这项研究中，开发了一种双掺杂的TiO?/生物炭纳米复合材料，该材料由Fe/Ni和来自Borassus flabellifer棕榈果壳的生物炭组成，采用改性的溶胶-凝胶工艺与异丙氧基钛制备而成。通过紫外-可见光光谱（UV–Vis spectroscopy）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线谱（EDX）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子能谱（SAED）和比表面面积（BET）等技术对新型FNTBF纳米复合材料进行了全面表征。Fe/Ni的双掺杂过程将TiO?的带隙从3.20 eV降低到2.65 eV，并将吸收边缘从大约400 nm移动到600 nm。此外，具有理想成分（1.5 wt%）的纳米复合材料具有均匀大小的TiO?锐钛矿纳米颗粒和非常高的比表面积（186 m2/g）。随后，该材料被用作M形池太阳能蒸馏（MSD）系统的光热涂层，产水量达到395 mL/h，水温和达到了57°C。与传统太阳能蒸馏器相比，效率提高了84.4%，热效率从31.5%提升至47.8%。研究还表明，在三次循环使用后，光激活的FNTBF仍保持了超过95%的初始性能，并去除了水中92–97%的染料和药物污染物。这些发现表明，FNTBF-MSD多功能技术提供了一种经济且环保的方法，可以同时实现海水淡化和废水净化。未来FNTBF-MSD系统的研究将重点关注试点试验、实际废水处理以及在自然环境中的长期验证。

**引言**
全球范围内，淡水短缺和水污染是相互关联的问题，这些问题因人口增长、工业化、气候变化以及持久性有机污染物的使用和盐水入侵而加剧。虽然可以通过反渗透、多级闪蒸和电渗析等传统海水淡化技术生产淡水，但这些技术的应用受到高能耗、膜污染、废物处理难题和高成本的限制。此外，传统的废水处理方法（如吸附、混凝和生物处理）在去除持久性有机污染物方面效果不佳。而太阳能蒸馏和半导体光催化技术利用无穷无尽的太阳能，无需外部能量来源，因此被视为创新型技术。然而，太阳能蒸馏器由于热吸收有限、能量损失大和蒸发速率低而效率较低。尽管如此，太阳能蒸馏仍提供了一种简单且分散式的海水处理方式。铝制M形蒸馏器的性能受潜在污染、对阳光的依赖性和纳米复合材料稳定性的影响。当需要处理大量水时，扩大生产规模较为困难，且多次循环可能会降低效率，因此可能需要额外的后处理步骤以确保出水符合饮用水标准。Mohamed Benghanem等人[1]证明三层结构的MSD@Case-3具有出色的性能，产水量达到11.66 L/m2，热能利用率提高了62.29%/191.16%，淡水成本降低了48.22%，二氧化碳排放量减少了47.81吨。Alqsair等人[2]开发的具有波纹几何结构、吸液芯驱动的薄膜蒸发和纳米流体吸收的碟形预热半球形蒸馏器提高了220.7%的产水量，并显著提升了热能利用率。Alrasheedi等人[3]通过集成铝-蜗牛壳吸收器和DTRF预测模型改善了蒸馏效果，优化了冷凝过程，使蒸馏效率提高了60%，机器学习预测精度超过R > 0.95。Laxmikant等人[4]指出，Chlamydomonas和Chlorella通过光解、发酵、电解和消化等过程可产生大量生物氢。基因工程技术可将产量提高60%；然而，氧气敏感性、成本问题和与绿色氢气的竞争阻碍了其商业化。Bou?anova等人[5]将Au、Ag和Cu纳米流体（φ = 0.001%，约40 nm）掺入单坡度太阳能蒸馏器中，显著增强了热耦合效果，其中Au-NF组的蒸馏效果最佳。Beggas等人[6]发现，在半球形太阳能蒸馏器中添加高导电性铝材质组件可提升太阳能吸收和热储存能力，使产量提高了48%，并显著提高了热效率。Kotla等人[7]研究表明，加入TiO?纳米流体和铝-银复合材料可优化单池蒸馏器的性能，日产量提高了约8.4 kg/m2。Abdullah等人[8]研究了球形和半球形太阳能蒸馏器的性能，探讨了纳米技术、相变材料、反射器、经济学和可持续性，并利用人工智能识别了研究空白和机遇。Soubraylu等人[9]发现，使用回收的黑涂层铝罐可提高单池太阳能蒸馏器的性能，日产量达到6.582 L/m2。Murugesan等人[10]评估了甘蔗渣衍生的Ru-Ni纳米催化剂在氢气生成中的应用。Attia等人[11]开发了集成CuO纳米颗粒的圆锥形太阳能蒸馏器。Alsaleh等人[12]研究了银纳米颗粒增强型相变材料和CPC线圈辅助的热传递系统。Ali等人[13]发现回收铝罐制备的纳米级铝颗粒可提升太阳能蒸馏器效率。Murugesan等人[14]研究了混合型太阳能蒸馏器，Alahmadi等人[15]研究了磁极在太阳能蒸馏器中的应用。Alrasheedi[17]通过分析示温液和微波处理过的碳化钛/Ag/纳米流体复合材料，提高了蒸馏器的热导率和比热。Abdel-Aziz等人[18]将8 mm厚的向日葵壳插入圆锥形蒸馏器的蒸发器中，使用了交叉波纹托盘、纳米吸液芯和PCM材料。Prakash等人[19]开发了一种基于太阳和空气的限域存储/夹套蒸馏系统。Attia等人[21]发现，将2 cm直径的铝球以3 cm间距排列在圆锥形蒸馏器中，产水量提高了8400 g/m2。Boudhiaf等人[22]采用凹形槽几何结构，产水量超过了矩形设计（64.8%）。Suresh等人[23]发现，将1.95%的CuO纳米流体加入太阳能蒸馏器可提升太阳能吸收、热传递和蒸发效率，从而将淡水产量提高了279.6%。Award等人[24]使用沥青、金属屑和黑色涂料将产水量提高了76.16%，成本降至0.051美元/L。Alasiri等人[25]有效使用了M形吸液器上的对角排列铝罐，产水量达到8.09 kg/m2，热效率提高了42.74%。Ataya等人[26]发现表面改性可将半球形太阳能蒸馏器的效率提高207%，能源效率提升至36–88%，淡水成本降低了70%。Alasiri等人[27]通过Mn?O?–Cu纳米复合材料、RT31石蜡和铝罐提高了M形蒸馏器的性能，产水量提高了25.4%，热效率提高了42.7%。Srinivas等人[28]在太阳能蒸馏器中使用了纳米流体，Vanaraj等人[29]探讨了生物聚合物纳米复合材料的生物医学应用和工程挑战。Srinivas等人[30]研究了混合型纳米流体在太阳能蒸馏器中的应用，Essa等人[31]实现了14 L/m2的日产量，并提升了245%的产水量。Sai等人[32]将甘蔗汁衍生的ZnO纳米流体集成到双坡度太阳能蒸馏器中，提高了热导率，峰值温度升至72.6°C。Kumar等人[33]使用了绿色TiO?/菠萝蜜皮纳米复合材料，提升了能量效率、热经济性能和碳减排效果。Kumar等人[34]使用了ZnO/PVC/生物活性纳米复合材料，产水量提高了126%，降低了二氧化碳排放量2.97吨。Sahu等人[35]使用了ZnO、SiO?和混合ZnO–SiO?纳米流体，实现了显著的性能提升。?akmak等人[36]研究了纳米流体、吸收器和相变材料在蒸馏器中的应用，效率提高了10–300%。Kant等人[37]使用Al?O?纳米流体提升了效率20.13%，同时降低了成本和二氧化碳排放量。

**创新性声明**
本研究提出了一种基于太阳的净化系统，该系统由掺杂Fe/Ni的TiO?组成，TiO?固定在来自Borassus flabellifer棕榈果壳的生物炭上，蒸馏器采用回收铝罐制成M形结构。双掺杂Fe/Ni提升了材料的可见光吸收能力和电荷分离效果，增强了光催化活性。多孔生物炭的使用促进了吸附和光热转换过程。M形结构扩展了蒸发面积，提高了太阳能捕获效率和热量传递能力。与其他技术相比，该集成系统在同一平台上实现了海水淡化、光催化降解、吸附和蒸发，使得在农村地区利用太阳能低成本生产淡水成为可能。本研究旨在开发一种低成本的混合太阳能水净化装置，结合了含有Fe/Ni双掺杂TiO?的生物炭纳米复合材料和回收铝罐制成的M形太阳能蒸馏器。首先需要合成和表征这种纳米复合材料，然后验证其在0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 wt%掺杂量下的光热和光催化性能，并选择最佳的系统组成。接下来将构建一个太阳能驱动的系统，并评估其在淡水产量、蒸发率和热效率方面的性能。为了确保该系统符合第三世界偏远农村地区的饮用水安全标准，还需测试其在去除染料、抗生素和溶解固体方面的效果。

**部分内容**
**生物质的制备**
收集了来自印度安得拉邦Koneru Lakshmaiah教育基金会附近Mellampudi村的Borassus flabellifer棕榈果壳。使用蒸馏水彻底清洗生物质，去除表面的污垢、土壤和其他杂质。为确保去除所有水分，将生物质在热风烘箱中加热至80–90°C并保持约12小时。干燥后...卡维塔（Kavitha）：撰写工作（初稿编写）、可视化处理、软件使用及资源开发；M.C. 拉奥（M.C. Rao）：可视化处理、数据验证、软件使用及资源开发；S. 沙纳穆甘（S. Shanmugan）：撰写工作（审稿与编辑）、可视化处理、数据验证以及项目指导与软件应用。

**利益冲突声明**
各位作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：无 applicable（适用情况）。
若论文中有其他作者参与，他们保证不存在任何可能影响本论文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**作者信息：**
阿卜杜拉齐兹·阿拉西里（Abdulaziz Alasiri）、卡维塔（A. Kavitha）、M.C. 拉奥（M.C. Rao）、S. 沙纳穆甘（S. Shanmugan）
所属单位：沙特阿拉伯利雅得伊玛目穆罕默德·伊本·萨乌德伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, IMSIU）工程学院机械工程专业