将废弃塑料瓶回收再造为球形界面太阳能蒸发器以实现高效海水淡化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recycling waste plastic bottles into spherical interfacial solar evaporators for efficient seawater desalination

　　

- 废弃塑料瓶被升级再造为球形光热气凝胶，用于太阳能蒸发。- 降低的蒸发焓和增大的表面积提升了蒸发性能。- 在1倍太阳辐照下实现了2.81 kg·m?2·h?1的高蒸发速率。

引言

日益增长的淡水需求已成为阻碍人类社会可持续发展的关键瓶颈[1]、[2]。利用自然资源中的能量已被广泛认为是缓解能源短缺和淡水危机的一种有前景的方法[3]、[4]。界面太阳能蒸发器（ISEs）利用光热材料（PTMs）将太阳能转化为热能，实现低温水蒸发。由于其卓越的能量利用效率和环境友好性，ISEs在海水淡化领域受到了广泛关注[5]。通常，一个设计良好的ISE系统主要由三个核心功能组件组成：光热材料、保温层和输水层。ISEs的工作原理类似于植物的蒸腾过程[6]。在该系统中，输水层类似于植物根部，有效地将水输送到作为"叶片"的光热材料层。随后，光热材料吸收太阳能并将其转化为热能，从而促进水的蒸发[7]、[8]。值得注意的是，光热材料对阳光的高效吸收是实现高蒸发速率的关键。光热材料中使用的吸光剂大致可分为四种类型：金属等离激元材料[9]、半导体材料[10]、碳基材料[11]和聚合物材料[12]、[13]。在这些候选材料中，聚吡咯（PPy）因其合成简单、载量出色和宽光谱吸收范围而引起了研究人员的极大关注[14]、[15]。例如，Ma在脱木质素木材上修饰PPy设计了一种木质基蒸发器，其中PPy的宽带吸收特性使蒸发器能够捕获94.8%的阳光，在1倍太阳辐照下实现了2.03 kg·m?2·h?1的蒸发速率[16]。尽管如此，研究人员已广泛致力于提高用于海水淡化的ISEs的蒸发速率，旨在解决其大规模应用中的实际挑战。

提高ISEs蒸发速率的策略主要分为两类：降低水的蒸发焓和提高能量利用效率[17]。对于光热效率为100%的二维（2D）材料，其理论蒸发速率达到1.46 kg·m?2·h?1[18]。值得注意的是，最近报道的许多二维光热材料表现出超过此理论阈值的蒸发速率。这种优异性能源于材料内部丰富的氢键位点，它们与自由水（FW）分子相互作用。这些相互作用削弱了自由水分子间的分子间力，降低了水的蒸发焓，从而加速了水的蒸发[19]。Guo制备了一种基于纳米结构超毛细黑色金属的二维平面界面蒸发器，将水的蒸发焓降至627.4 ± 12.5 kJ·kg?1。所得太阳能蒸发器在1倍太阳辐照下实现了3.60 kg·m?2·h?1的蒸发速率[20]。提高能量利用效率集中在两个方向：抑制热损失和从外部环境收集补充能量。鉴于光热材料恒定的太阳能吸收和热量转换能力，水的供应过多或过少都会导致热量耗散并降低蒸发速率。因此，精确调节水-热平衡对于提高光热材料的蒸发性能至关重要[21]。Wen构建了具有可调节垂直通道的碱处理聚丙烯腈/MXene@海藻酸钠（PMS）水凝胶蒸发器，以探索内部通道尺寸如何影响输水和热约束。优化后的PMS蒸发器实现了5.01 kg·m?2·h?1的高蒸发速率[22]。构建三维（3D）光热材料提供了一种大幅提高蒸发速率的有效途径。在蒸发过程中，三维光热材料的侧面可以保持低于环境温度的温度，从而通过热对流捕获环境热量以提高蒸发速率[23]、[24]。受大葱自然结构的启发，Cheng使用硫化铜和镍泡沫开发了一种卷曲圆柱形界面太阳能蒸发器。这种高尺寸的三维界面太阳能蒸发器通过其凉爽的侧壁收集额外的环境热量，改善了蒸发性能，在1倍太阳辐照下实现了6.12 kg·m?2·h?1的出色蒸发速率[25]。因此，构建三维光热材料架构以增大蒸发面积是提高蒸发速率的一种有前景的策略。

持续稳定的海水淡化对于光热材料的实际应用至关重要，其稳定性在很大程度上受盐沉积的限制。材料内部的盐积累会阻碍输水并降低蒸发速率；同时，表面盐结壳会削弱光收集能力，进一步降低蒸发性能[26]、[27]。为减轻海水淡化中盐垢引起的蒸发性能损失，已开发出各种球形光热蒸发器，并提出了两种主流抗盐策略。第一种是重力驱动自清洁[28]。太阳辐照加热球形顶部以浓缩盐结晶：积累的盐改变了重力-浮力平衡，无需额外动力即可触发自发性旋转。浸没的盐壳通过盐度梯度快速溶解，形成重复的"积累-旋转-溶解"循环，实现稳定淡化。Ge等人报道了一种EPS-Ti?O?-PDMS蒸发器，使用海藻酸钠/Ti?O?在EPS泡沫上涂覆，在1倍太阳辐照下实现了2.46 kg·m?2·h?1的蒸发速率。在3.5 wt.%盐水中，运行8小时后仍保持2.35 kg·m?2·h?1的稳定速率，无明显衰减[29]。第二种是仿生径向通道设计，用于原位抑制盐沉积[30]。球形内部穿透的中心对称毛细通道形成双向水通路：新鲜海水向上流动，而浓缩卤水向下循环，降低界面盐度以抑制盐核化。受竹制容器启发，Feng的具有垂直径向微通道的竹基石墨烯气凝胶球在1倍太阳辐照下处理3.5 wt.%卤水时达到1.40 kg·m?2·h?1的稳定蒸发速率[31]。除了出色的抗盐能力外，球形蒸发器相比传统的二维平面蒸发器还具有显著的结构优势。在相关研究领域，蒸发性能通常以水平投影面积πr2作为评估标准进行归一化，而球形结构的总弯曲蒸发面积为2πr2，有效地将可用于蒸发的界面面积加倍[30]。扩大的弯曲吸光表面延长了有效的太阳能收集时间，同时捕获环境热能。这种双重效应有助于在等效的投影太阳辐照下实现增强的蒸发。以Liao制备的聚吡咯-纤维素涂层球形蒸发器为例，在1倍太阳辐照下基于投影面积实现了2.01 kg·m?2·h?1的蒸发速率，光热转换效率高达117.9%，超过了理论极限[32]。总之，球形蒸发器集成了防污性能和增强光利用能力，使其成为高效太阳能淡化的理想候选方案。

每年有数百万吨城市和工业塑料废物被丢弃。传统的废物处理策略，包括焚烧和填埋，加剧了CO?排放并引发了严重的二次环境污染[33]、[34]。通过化学回收过程将废弃塑料转化为高值化化学产品可以显著推进循环经济的发展。许多研究致力于将塑料废物转化为碳基材料，这些碳产品被应用于各种领域，包括碳纤维生产、水净化吸附剂和储能电极[35]、[36]、[37]。越来越多的研究进一步探索了将废弃塑料衍生材料整合到光热材料中，用于太阳能驱动的海水淡化。Gong的研究团队率先开发了一系列完全由废弃塑料原料制成的新型光热材料。其中包括从废弃聚酯制成的碳泡沫，展现出2.40 kg·m?2·h?1的高蒸发速率，以及从回收聚酯制备的多孔碳多面体，旨在促进界面太阳能蒸汽生成并同时生产电力和淡水[38]、[39]。

为了提高废弃塑料的高值化利用，并解决界面太阳能蒸发器在高效海水淡化中面临的挑战，本研究引入了一种基于废弃塑料瓶（WPB）的球形光热气凝胶（SPA），经聚吡咯修饰并命名为PPy-WPB-SPA。图1a展示了PPy-WPB-SPA的制备流程图。进行了系统的表征和性能测试，以阐明PPy负载量与PPy-WPB-SPA蒸发速率之间的相关性，并考察平面蒸发器和球形蒸发器对蒸发性能的影响。在1倍太阳辐照下，优化后的PPy-WPB-SPA达到了2.81 kg·m?2·h?1的先进蒸发速率。此外，PPy-WPB-SPA在蒸发3.5 wt.%盐水时表现出稳定的性能，保持了2.56 kg·m?2·h?1的蒸发速率。本研究不仅推动了废弃塑料的回收和升级，也为淡水短缺这一紧迫问题提供了一种有前景的解决方案。

各节摘要

材料

WPB从废弃的饮用水瓶中收集。浓硫酸、氢氧化钠、氯化钙、氯化钠、氯化镁和氯化钾由国药集团化学试剂有限公司供应。海藻酸钠（SA）、吡咯和六水合氯化铁购自上海阿拉丁生化科技有限公司。

制备

WPB预处理：WPB用去离子水清洗并切割成3×3 mm的碎片。碎片……

基于WPB气凝胶的微观结构

使用SEM检查了PPy-WPB-SPA-0和PPy-WPB-SPA-75的微观结构。如图1b-c所示，PPy-WPB-SPA-0表现出层状多孔结构，表面相对光滑。同样，图1d显示PPy-WPB-SPA-75也具有层状孔结构。不同的是，其表面均匀覆盖着细小颗粒（图1e），这验证了PPy的成功负载。此外，图1f中的元素映射结果表明PPy-WPB-SPA-75含有……

结论

总之，为了提高废弃塑料的高值化利用，并解决光热材料在海水淡化中蒸发性能方面的局限性，本研究开发了一种基于废弃塑料的聚吡咯改性球形光热材料，称为PPy-WPB-SPA。PPy-WPB-SPA-75实现了97%的优异光吸收效率。得益于其三维结构和降低水蒸发焓的能力，该蒸发器实现了……的蒸发速率。

CRediT作者贡献声明

李明：资金获取。熊军：写作-审阅与编辑。王伟明：概念构思。郑胜杰：调查研究。黄新辉：调查研究。赵雪涵：形式分析。黄辉：方法论。张宇：调查研究。俞宇航：写作-初稿。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究由武汉纺织大学基金B资助（K25024、K25026、K25031和K24066）。感谢武汉纺织大学分析与测试中心提供UV-Vis-Nir和DSC测试服务。

利益冲突声明

作者声明，没有需要披露的利益冲突。

俞宇航|张宇|黄辉|赵雪涵|黄新辉|郑胜杰|王伟明|熊军|李明