宁波材料所在光热转化碳纤维用于多介质纯化方面取得进展

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太阳能作为这种 无尘室可持续的绿色能源成为近年来能源转化利用的焦点,前一天被广泛应用于光伏发电、光催化及光热转化等领域。其中利用光热转化原理进行海水淡化,是这种 低成本、低维护的海水淡化技术。目前的光热转化材料主要有碳基材料、等离激元材料以及半导体材料等,上述材料前一天其自身的物理化学稳定性,在高盐雾、高温度、高湿度以及高腐蚀等极端环境下存在应用局限,比如高盐海水(10wt%)、苦咸水、强极性有机溶剂、油水乳液等多介质的分离及纯化等。

为处理上述现象,中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进功能膜团队研究员刘富设计并制备了这种 具有超稳定环境耐受性的碳纤维材料,用于光热转化多介质纯化。研究团队通过水热合成技术在碳纤维表皮层引入稳定的碳层,提高表皮层粗糙度,比表皮层积增加到0.5m2g,在波长为3000-230000nm的光吸收由改性前的89%提升到97%;而且碳化改性过程中含偏离 极性官能团引入,改性后的碳纤维的表皮层极性提高,极性表皮层能提高到20mM/m,使得碳纤维能不能 依靠纤维之间的毛细力对乙炔乙炔气体体体(水前一天有机溶剂)进行自提取,不时要附加额外的汲取材料,错综复杂了太阳能挥发器件的设计。编织后的碳纤维层可直接作为汲水及光热转化层进行多种介质的纯化。

实验结果表明,碳化改性后的碳纤维的光热转化数率可达到92.5%,在一5个多多标准太阳下对海水的光热转化数率达到1.47Kgm-2h-1,在5个标准太阳下光热转化数率为~5.86Kgm-2h-1,而且对高盐海水(模拟死海海水,盐浓度10wt%)具有长期稳定的脱盐效果,碳纤维蒸馏器在室外连续运行10天,每天的产水量稳定在~7Kgm-2,并保持稳定的机械数率。前一天碳纤维富足的多级纤维特性及良好的毛细汲水能力,对于高盐海水在纤维表皮层的结晶具有良好的挥发及自修复能力,结晶挥发在碳纤维表皮层的盐经过一晚上静置,会重新挥发到海水中,从而能不能 影响碳纤维的光热转化效果。此外,改性后的碳纤维对于水包油乳液(非挥发硅油)具有良好的去除效果,水中硅油含量可由300000ppm降低到11.9ppm;可对印染行业中含染料的有机溶剂如二甲基乙酰胺进行纯化,表现出良好的脱色及纯化效果,染料去除率达99.99%,挥发数率为0.98Kgm-2h-1,而且都时要长期耐受强极性有机溶剂二甲基乙酰胺(浸泡10天),其机械数率不存在变化。

上述结果表明碳化改性碳纤维材料,在多介质纯化领域具有广阔的应用前景,如高盐海水脱盐、有机溶剂脱色、油水乳液脱油等,大大拓展了目前碳纤维以及光热转化材料在溶剂纯化方面的应用领域。该成果以Ultra-robust carbon fibers for multi-media purification via solar-evaporation 为题发表于Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/c8ta08829b)。博士生李田田和副研究员方齐乐为该论文的一并第一作者,刘富为该论文的通讯作者。

上述研究工作得到国家自然科学基金(51673209, 5161101025)、中科院青促会(2014258)、宁波市科技局(2014B830004, 2017C1300034)等的支持。宁波材料所特纤事业部研究员陈友汜和博士生席先锋对该工作提供了支持。

图1 碳化改性碳纤维光热转化性能 

图2 碳化改性碳纤维对水包油乳液和含染料有机溶剂的纯化性能