基于雙層聚乳酸纖維膜負載中華墨納米粒子的太陽能驅動的界面蒸發

DOI：10.1016/j.solener.2019.11.078

淡水是人類生存的重要資源，淡水資源的減少和日益增長的用水需求引起了人們對海水淡化和水資源循環利用的興趣。為了滿足水循環利用的能源需求，太陽能已被用作化石燃料的替代品。高效的光熱轉換材料和蒸發模塊是此類系統必不可少的。在本研究中，我們合成了一種新型的負載中華墨納米粒子的聚乳酸（PLA）纖維膜雙層界面蒸發模塊。采用親水性增強的微米級電紡層作為水傳輸層，負載中華墨納米粒子的納米級纖維電紡層溶液作為蒸發界面。利用場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）確定了中華墨納米粒子在聚乳酸納米纖維中的理想分散性。使用設計的蒸發模塊進行的實驗表明，含2 wt％的中華墨納米粒子的雙層膜在模擬太陽光下，當光照強度為1太陽（1太陽= 1 kW/m²）時，蒸發率為1.29 kg cm^-2h^-1，效率為81.0％，這明顯高于純水和不含中華墨納米粒子的常規膜。研制的纖維膜在耐久性試驗過程中，即使在相同操作條件下循環20次，仍能保持其增強特性。所設計的蒸發模塊是一種很有前途的廢水轉化為清潔水的新方法。

圖1.三層結構示意圖。首先，通過毛細作用將水從水傳輸層突出的條帶提供給膜。其次，中華墨納米粒子將太陽輻射轉化為熱能。最后，蒸發表面出現局部高溫并產生水蒸氣。

圖2.雙層纖維膜和制備設備的示意圖。

圖3.（a）中華墨納米粒子的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（b）0.05％（重量）的中華墨納米流體的吸收光譜和透射光譜。

圖4.中華墨的EDS光譜。

圖5.（a）熔體靜電紡純PLA的SEM圖像。溶液電紡含0 wt％（b）、0.6 wt％（c）、1 wt％（d）和2 wt％（e）中華墨納米粒子的中華墨/ PLA纖維膜。（f）纖維的局部放大圖。

圖6.中華墨/ PLA纖維膜的光學性能。（a）在300-2500 nm波長范圍內，不同濃度的中華墨納米粒子對中華墨/ PLA纖維膜的吸收和（b）反射。

圖7.熔體靜電紡純PLA纖維膜和溶液電紡含0、0.6、1和2 wt％中華墨納米粒子的中華墨/PLA纖維膜的水接觸角。

圖8.親水改性后的纖維膜成分的FTIR光譜。

圖9.含0 wt％、0.6 wt％、1 wt％和2 wt％中華墨納米粒子的雙層纖維膜的平均溫度變化曲線。

圖10.用于產生蒸汽的實驗裝置的示意圖。

圖11.分別含0％、0.6％、1％和2％中華墨納米粒子和純水的中華墨/PLA纖維膜在1 kw/m^-2模擬太陽光下照射60 min的紅外熱像圖。

圖12.含0 wt％、0.6 wt％、1 wt％和2 wt％的中華墨納米粒子和不含纖維膜的純水的中華墨/PLA纖維膜在日光照射下的蒸發重量損失與輻射時間的關系。

圖13.在十個循環的模擬陽光照射60分鐘下的（a）水蒸發速率，（b）蒸發效率和（c）水分損失，顯示了包含1 wt％納米粒子的雙層纖維膜的穩定性。