基于空间碳纳米管中空纤维阵列的电增强界面蒸发用于高效水净化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》:Electrically enhanced interfacial evaporation on spacial CNTs hollow fiber arrays for efficient water purification

【字体: 时间:2026年09月09日 来源:Journal of Environmental Chemical Engineering 7.5

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   摘要将太阳能界面蒸发技术(SIE)与高级氧化工艺(AOPs)相结合,已成为同时从水体中去除挥发性有机物(VOCs)和非挥发性有机物(NOCs)的重要策略。然而,为了追求高效的蒸发速率和降解效率以获得更多的清洁水,有必要合理优化 SIE 过程中的质量传递和热管理路径。本研究通过

  

摘要

将太阳能界面蒸发技术(SIE)与高级氧化工艺(AOPs)相结合,已成为同时从水体中去除挥发性有机物(VOCs)和非挥发性有机物(NOCs)的重要策略。然而,为了追求高效的蒸发速率和降解效率以获得更多的清洁水,有必要合理优化 SIE 过程中的质量传递和热管理路径。本研究通过空间碳纳米管(CNTs)中空纤维阵列设计了一种电增强界面蒸发器,实现了蒸汽产生和挥发性有机物(VOCs)去除的协同增强。由于电毛细现象,蒸发速率达到了令人印象深刻的 3.84 kg m-2 h-1。此外,由于引入了电芬顿技术,电增强界面系统的苯酚去除率达到 100%,是单一 SIE 系统的 6.0 倍。此外,这种电增强界面蒸发器在处理实际复杂水体方面表现出令人满意的效果。通过成功引入电辅助,协同 SIE 实现了优异的蒸发效率,并有效净化了含 VOCs 的废水,为未来淡水资源的获取提供了一种可持续的协作策略。

引言

随着城市化的快速推进和人口的持续增长,水污染日益严重 [1], [2]。目前全球约 40% 的人口面临清洁水资源短缺的问题 [3], [4]。如今,太阳能界面蒸发(SIE)技术作为一种在低能源输入条件下生产清洁水的环保且经济友好的方法,引起了相当大的关注 [5], [6], [7]。同时,结合高级氧化工艺(AOPs)已成为在实际情况下从成分复杂的污染水体中同时去除挥发性有机物(VOCs)和非挥发性有机物(NOCs)的重要策略,进一步扩展了 SIE 技术的应用范围 [8], [9], [10], [11]。然而,为了追求高效的蒸发速率和降解效率以获得更多的清洁水,有必要合理优化过程中的质量传递和热管理路径。
与平面蒸发器相比,空间蒸发器展现了更高效的输水潜力 [12], [13], [14]。这种有利的特性源于其始终较高的蒸发面积指数(EAI),即总可用蒸发面积相对于投影面积的比率 [15]。然而,空间蒸发器的制备过程通常更复杂,消耗大量材料,导致制备成本更高 [16]。因此,研究人员发现 2.5D 型蒸发器与水之间的接触面积受限,它可以通过蒸发器侧面的冷却蒸发捕获环境能量,显著减少热损失 [17]。同时,2.5D 型蒸发器允许 360°界面蒸发,而内部毛细管驱动快速水转移,加速蒸发器的蒸发速率 [18], [19]。尽管如此,2.5D 型蒸发器的内部质量传递过程仍需要进一步调整。
目前,研究人员发现通过将电芬顿(EF)技术与 SIE 相结合 [20], [21],不仅可以同时增强蒸发和降解过程,而且与光芬顿技术相比,还能通过冷蒸发路径进一步改善降解过程 [22], [23]。值得注意的是,电毛细现象是指在电场影响下液体表面张力的变化现象。它可以通过电场调节液体表面张力来改变固 - 液界面的润湿性,进一步增强反应的质量传递过程 [24], [25]。因此,2.5D 蒸发器与 EF 技术的结合有望在高效水净化方面展现出独特的优势。一方面,2.5D 构型的优异吸光性能与电毛细作用相结合,可能增强界面润湿性,从而提高光热效率并减少热损失,进一步强化蒸发器内部的质量传递过程 [26]。另一方面,引入电场会激发蒸发界面的焦耳热,以提高界面温度,并通过引入电场加速蒸发速率,这实现了清洁水生产和 VOCs 去除的联合增强 [27], [28], [29], [30]。同时,与传统芬顿技术相比,引入电场避免了外部氧化剂的添加,显著降低了氧化剂的运输和储存成本 [31]。因此,引入电力可以有效调节蒸发器的热管理和水的输送过程,从而高效实现清洁水的生产。
在此,设计了一种 2.5D 氧氯化铁(FeOCl)/碳纳米管(CNTs)中空纤维(FeOCl/CNTs)电增强界面蒸发器,并系统地研究了其产水性能。因此,与传统光热材料相比,CNTs 具有优异的吸光能力和导电性 [32], [33], [34]。它具有稳定的结构和许多可控制的活性位点,使其在光热转换和光电催化方面表现出优异的性能 [35], [36], [37], [38]。作为 EF 反应中的催化剂,FeOCl 在广泛的 pH 范围内表现出优异的催化活性 [39], [40], [41]。在此基础上,引入电场有望进一步优化热管理和质量传递路径。这种协同效应加速了水的蒸发速率,同时保持较高的污染物降解效率,从而促进其在高效废水净化中的实际应用。

章节摘要

材料

碳纳米管(CNTs)由江苏先丰纳米科技有限公司提供。硫酸(H?SO?)和硝酸(HNO?)购自锦州古城化学试剂厂。乙醇(C?H?OH)、N-甲基 -2- 吡咯烷酮(NMP)和氯化铁六水合物(FeCl?·6H?O)由天津大茂化学试剂厂提供。硫酸钠(Na?SO?)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和叔丁醇(TBA)由上海阿拉丁生物技术有限公司提供。苯酚由天津帝茂化学试剂有限公司提供。湖水是

蒸发器特性

图 1 展示了 FeOCl/CNTs 蒸发器的制备过程。简言之,CNTs 中空纤维膜在几个温度(600、800 和 1000℃)下进行煅烧,得到 CNTsx(x=600、800 和 1000),然后浸入无水乙醇和 FeCl?·6H?O 的混合溶液中。然后采用改进的部分热分解法将 FeOCl 成功负载到 CNTs 中空纤维膜上。
FeOCl/CNTs 复合材料和原始 CNTs 进行了扫描电子

结论

在本工作中,成功开发了一种集成 EF 和 SIE 系统的 2.5D FeOCl/CNTs 电增强界面[蒸发器],用于从冷凝水中去除 VOCs 并生产清洁水。在 EF 耦合系统下,FeOCl/CNTs 蒸发器表现出出色的蒸发性能和 VOCs 降解效率,在保持优异的蒸发速率 3.84 kg m-2 h-1 的同时,几乎实现了 100% 的 VOCs 去除,并具有良好的循环稳定性。此外,FeOCl/CNTs 双功能

CRediT 作者贡献声明

Zhexin Zhu: 方法学,形式分析,数据整理,概念化。Yanjun Mao: 概念化。Bowen Lv: 方法学,形式分析,数据整理,概念化。Yuanlu Xu: 项目管理。Yi Yang: 监督。Xinfei Fan: 监督,项目管理,方法学,概念化。Chengwen Song: 调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系,这些关系可能被认为影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金(22576023, 52401314)以及大连海事大学优秀博士论文培育计划(0034012416)的支持。

备注

作者声明没有竞争财务利益。
Zhexin Zhu|Bowen Lv|Yanjun Mao|Yi Yang|Yuanlu Xu|Chengwen Song|Xinfei Fan
大连海事大学环境与工程学院,中国大连 116026
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