Kohlenstofffaser, beschichtet mit Quinoa-Zellulose-Nanoblatt mit hervorragender Schuppenschicht aus Salz

Jul 29, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8777 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Bisher wurden verschiedene solarbetriebene Verdampfungstechnologien zur Behandlung von Meerwasser und Abwasser entwickelt, allerdings mit der Gefahr einer Salzverunreinigung und einer einmaligen Behandlung von Meerwasser. Hier entwickeln wir einen multifunktionalen Verdampfer aus Kohlenstofffasern, der mit Quinoa-Cellulose-Nanoblättern (CFQC) beschichtet ist, mit hervorragender Selbstreinigungsleistung und guten Reinigungseigenschaften für die Behandlung von mit organischen und Antibiotika verunreinigtem Wasser. Das resultierende Zn-CFQC weist eine gute Licht-Wärme-Leistung auf und kann etwa 86,95 % des Lichts im UV-Vis-NIR-Bereich (200–2500 nm) absorbieren. Daher werden die nassen und trockenen Oberflächentemperaturen von Zn-CFQC bei 62,1 bzw. 124,3 °C gehalten und die Geschwindigkeit der Wasserverdunstung beträgt bei 1000 W m-2 Beleuchtung 3,2 kg m-2 h-1. Diese guten Licht-Wärme-Fähigkeiten sind hauptsächlich auf die einzigartigen Oberflächenmikrostrukturen der Kohlenstofffasern zurückzuführen, die mit zweidimensionaler Zellulose verziert und durch ZnCl2 aktiviert sind. Darüber hinaus zeigt Zn-CFQC eine gute Fähigkeit zur automatischen Salzreinigung bei Nacht und der entsprechende Mechanismus wurde einfach anhand der Theorie des chemischen Potentials aufgeklärt. Die Methode zur Behandlung von Kohlefasern eröffnet einen neuen Weg für die kommerzielle Nutzung von Kohlefasern zur solargestützten Wasserreinigung.

Die Herausforderungen der Energieknappheit und der Knappheit an sauberem Wasser, insbesondere in abgelegenen Gebieten, werden zu einem immer ernsteren Problem und würden die wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung erheblich beeinträchtigen1,2. Derzeit wurden viele Technologien vorgeschlagen, um diese Probleme zu lösen3,4,5, zum Beispiel Umkehrsysteme6,7, mehrstufiger Flash8,9, adsorbierte Behandlung10, winzige Nebelsammlung2,11,12 und solarunterstützte Grenzflächenverdunstung13,14 Die solargestützte Verdunstung gilt aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit, einfachen Bedienung, erneuerbaren Energiequellen, Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit als vielversprechende Strategie zur Bewältigung der Süßwasserknappheit durch Aufbereitung des Meerwassers15,16. Der größte Vorteil der Grenzflächenverdunstung ist die hohe Effizienz der Solarenergienutzung, die auf ihr hervorragendes Energiemanagement zurückzuführen ist, indem der Wärmeverlust an das Grundwasser durch den Wärmeisolationsschaum zwischen dem Grundwasser und der Arbeitsschnittstelle erheblich unterdrückt wird, und ein gutes Wassermanagement, das durch die hydrophilen Eigenschaften von Photo- Wärmeumwandlungsmaterialien13,17,18,19. Infolgedessen gibt es eine große Anzahl von Wissenschaftlern, die sich mit der entsprechenden Feldforschung befassen, und viele Arten von photothermischen Umwandlungsmaterialien wurden erfolgreich entwickelt20,21. Die am häufigsten beschriebenen Materialien haben jedoch Nachteile wie die Anfälligkeit für Salzverunreinigungen, komplexe Herstellungsprozesse und Schwierigkeiten bei der Maßstabsvergrößerung, die den Fortschritt praktischer Anwendungen erheblich behindern. Daher ist die Entwicklung und Herstellung eines photothermischen Materials mit einfacher Skalierung, Salzbeständigkeit, Langzeitstabilität und multifunktionaler Feldnutzung dringend und wichtig für die Entwicklung der solarunterstützten Verdunstung.

Es gibt viele Kandidatenmaterialien für die solargestützte Verdampfung und viele von ihnen haben vielversprechende Aussichten für eine praktische Anwendung, wie z. B. plasmonische Materialien22,23, Halbleiter24,25, kohlenstoffbasierte Materialien26,27,28 und Polymere2,21,29,30 . Darüber hinaus wurden einige neue fortschrittliche Technologien im Bereich der solaren Dampferzeugung eingeführt, um die Wasserverdampfungseffizienz zu verbessern31,32,33,34,35, wie z. B. die Atomlagenabscheidungstechnologie (ALD)31 und die Janus-Materialherstellungstechnologie30,32,33,36 , piezoelektrische und synergistische Solardampftechnologie35,37 und synergistische Photovoltaik- und Solardampferzeugungstechnologie23,38. Bei photothermischen Umwandlungsmaterialien haben Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer hervorragenden chemischen Stabilität, thermischen Stabilität, Breitbandabsorption von Sonnenlicht und umfangreichen Quellen aus der Natur und Industriegütern großes Interesse auf sich gezogen13,39,40,41. Kohlefasern (CF) als kommerzielle Produkte mit der Leistung „leicht und stark“ werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften, einschließlich geringer Dichte, hervorragender mechanischer Eigenschaften, häufig in fortschrittlichen Verbundwerkstoffen (Luft- und Raumfahrt, Militär, Sport, Automobil und andere Anwendungen) verwendet. Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit, chemische Stabilität, gute Wärmeleitfähigkeit und besonders gute Adsorption von Sonnenlicht42,43,44,45. Trotz so vieler Vorzüge von CF ist seine Oberflächenhydrophilie aufgrund des Fehlens polarer funktioneller Gruppen zu gering, um direkt für die solarunterstützte Verdunstung genutzt zu werden46. Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um die hydrophile Fähigkeit von Kohlenstofffasern zur Wasserdampfverdampfung zu verbessern, einschließlich der Behandlung mit Salpetersäure47, Plasmabehandlungen48, hydrothermischen Verfahren46 und einer Beschichtung mit Graphen49. Obwohl diese Technologien gute Ergebnisse liefern, sind die Methoden zur Materialherstellung zu komplex und teuer, um umfassend eingesetzt zu werden. Daher ist es wichtig, neue Methoden zur Verbesserung der Hydrophilie von CF und zur Nutzung der solargestützten Wasserreinigung zu nutzen.

Hier entwickeln wir zunächst einen multifunktionalen Verdampfer, der aus Kohlenstofffasern und Quinoa-Kleie-Cellulose-Nanoblättern (QBC) hergestellt wird. Verschiedene aktivierte Wirkstoffe, darunter KOH, H3PO4, CuCl2 und ZnCl2, werden zur Behandlung der Kohlenstofffaser- und Zellulose-Verbundwerkstoffe verwendet, um Unterschiede in ihrer Oberflächenmikrostruktur zu erzielen und ihre solare Verdunstungsleistung zu verbessern. Neben der Verdampfung von Meerwasser zeigt der auf Zn-CFQC basierende Verdampfer auch gute Fähigkeiten bei der Behandlung von mit organischen Stoffen und Antibiotika kontaminiertem Wasser. Darüber hinaus weist Zn-CFQC auch eine hervorragende Salzselbstreinigungsleistung für Salzwasser mit 3,5 Gew.-% und 7,0 Gew.-% auf. Hier nutzen wir eine praktische Technologie zur Reinigung des Meerwassers sowie des mit organischen Stoffen und Antibiotika verunreinigten Wassers für die Produktion von Frischwasser, indem wir kommerzielle Kohlefasern und landwirtschaftliche Nebenprodukte nutzen.

Abbildung 1 zeigt den Herstellungsprozess des CFQC, der aus CF und QBC mithilfe von Vakuumfiltration, Kryodesikkation und Hochtemperaturkarbonisierungsprozessen hergestellt wurde. Die Quinoa-Kleie wurde gesammelt und mit gereinigtem Wasser gewaschen und dann nacheinander mit einer Benzol/Absolut-Ethanol-Kombinationslösung, 10 Gew.-% NaClO2 (pH 4–5) und 2 Gew.-% KOH behandelt, um Pektin, Lignin, Hemizellulose und andere Chemikalien zu entfernen50. Das resultierende Produkt wurde in gereinigtem Wasser durch abwechselnde Behandlung mit Ultraschall und Homogenisator dispergiert und dann mit Aktivierungsmittel (10 Gew.-%, KOH, H3PO4, CuCl2 und ZnCl2) und CF (50 Gew.-%) unter Verwendung eines Ultraschallreinigers gemischt, um die homogene Verbindung zu erhalten Streuung. Schließlich wurden Verdampfer auf CFQC-Basis mit der mit Quinoa-Zellulose-Nanoblättern beschichteten Kohlenstofffaser nach Vakuumfiltration, Gefriertrocknung und Pyrolyse bei 800 °C-Verarbeitungsverfahren geerntet. Der Aktivierungsmechanismus von KOH, H3PO4, CuCl2 und ZnCl2 ist in ergänzenden Informationen zusammengefasst. Die vorbereiteten Verdampfer wurden als CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC und Zn-CFQC gekennzeichnet, da sie kein Aktivierungsmittel darstellen, und durch KOH, H3PO4, CuCl2 bzw. ZnCl2 aktiviert.

Schematische Darstellung der Herstellungsschritte von CFQC-basierten Verdampfern. Das Ackerland befindet sich im Kreis Jingle, Stadt Xinzhou, Provinz Shanxi, China. Quinoa-Pflanzen wurden von Jie Yang, Abteilung für Chemie der Xinzhou Teachers University, fotografiert.

Die chemische Zusammensetzung und die Kristallstruktur des QBC wurden in unserer vorherigen Arbeit mit XRD und FTIR untersucht und analysiert. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Abb. S1 dargestellt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass es uns gelungen ist, Typ-I-Cellulose aus Quinoa-Kleie herzustellen. Zur weiteren Untersuchung der Mikrostruktur verwendeten wir das Transmissionselektronenmikroskop (TEM), um die mikroskopische Morphologie des QBC zu überprüfen. Wie in den Abb. gezeigt. 2a und b und S2 zeigt QBC interessanterweise zweidimensionale (2D) große Flocken mit einer Größe von mehr als 7 μm × 1,5 μm und einer amorphen Struktur. In der Zwischenzeit wurden die Elementkartierungen durch EDS bestimmt und die entsprechenden Ergebnisse sind in Abb. 2c und d dargestellt. Es lässt sich leicht feststellen, dass QBC-Nanoschichten aus Kohlenstoff- und Sauerstoffelementen bestehen, was mit den FTIR-Ergebnissen übereinstimmt (Abb. S1).

(a) und (b) TEM-Bild des Quinoa-Cellulose-Nanoblatts, (c) und (d) EDS-Kartierungsbilder des Quinoa-Cellulose-Nanoblatts.

Die Morphologien aller CFQC-basierten Verdampfer wurden mit Hilfe der Elektronenmikroskopie untersucht, und die entsprechenden Fotos sind in den Abbildungen dargestellt. 3 und S3. Alle CFQC-basierten Filme, einschließlich der nicht durch chemische Wirkstoffe aktivierten Proben (CFQC), weisen typische und ähnliche Koexistenzstrukturen aus mit Carbonisierten Quinoa-Cellulose-Nanoblättern beschichteten Kohlenstofffasern (grüner Kreis in Abb. 3) und Carbonisierten Cellulose-Nanoblättern (roter Kreis in Abb. 3) auf weist darauf hin, dass karbonisierte Quinoa-Cellulose-Nanoblätter und Kohlenstofffasern durch kovalente Bindung nach der Pyrolyse bei 800 °C gut miteinander verbunden werden können, was in früheren Arbeiten beobachtet wurde51,52. Noch wichtiger ist, dass die Oberflächenmorphologien von CFQC-basierten Proben im Vergleich zum ursprünglichen CF (Abb. S4) nach der Beschichtung mit QBC und der Pyrolysebehandlung offensichtlich anders und rauer wurden und die Oberflächen vollständig von vielen Mikrorillen bedeckt waren. Bei Zn-CFQC ist die Oberfläche deutlich von vielen kleinen Partikeln bedeckt und wird rauer, während andere Proben nur Mikrorillen aufweisen. Solch eine komplizierte Oberfläche wäre für die Lichtabsorption und praktische Verdampfungsanwendungen günstig.

Die REM-Aufnahmen der Querschnitte und Oberflächenmorphologien von Verbundverdampfern auf CFQC-Basis. Probe: (a) CFQC, (b), K-CFQC, (c) P-CFQC, (d) Cu-CFQC und (e) Zn-CFQC, (1) und (2) für Querschnitte und Kohlenstofffaseroberfläche Morphologien bzw.

Darüber hinaus wurden funktionelle Gruppen von CFQC-basierten Verdampfern mithilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopiespektren (XPS) überwacht, wie in Abb. 4a – f dargestellt. Aus der Kurvenanpassung der C 1s-Spektren geht eindeutig hervor, dass verschiedene CFQC-Verdampfer viele sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen (C–O und C=O) enthalten, die die Hydrophilie durch die Verankerung polarer funktioneller Gruppen auf der Kohlenstofffaseroberfläche erheblich verbessern können . Wie in Abb. 4f gezeigt, liegen die Sauerstoffgehalte von CFQC, K-CFQC und P-CFQC bei etwa 20 Gew.-%; wohingegen der Sauerstoffgehalt für mit CuCl2 und ZnCl2 aktivierte Proben von 20 Gew.-% auf 28 bzw. 42 Gew.-% ansteigt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Proben nach der Aktivierung mit ausgewähltem Metallchlorid einen hohen Sauerstoffgehalt aufweisen würden. Wie in Abb. S5 gezeigt, ist die Wasseraufnahmekapazität von CFQC-Proben im Vergleich zu CFQC, K-CFQC und P-CFQC nach der Aktivierung durch Metallchlorid deutlich erhöht. Um die Hydrophiliekapazität der Proben direkt zu ermitteln, wurden die Kontaktwinkeldaten sorgfältig getestet und in Abb. 4g zusammengefasst. Die Tröpfchen für CFQC, K-CFQC und P-CFQC werden nach 125 ms bei 115°, 106,9° bzw. 108,9° gehalten; wohingegen die Tröpfchen für Cu-CFQC und Zn-CFQC nach 125 ms bei 63,9° bzw. 15° gehalten werden. Kontaktwinkeldaten zeigen, dass durch Metallchlorid, insbesondere Zinkchlorid, aktiviertes CFQC eine gute hydrophile Fähigkeit aufweist, was gut mit den Ergebnissen der Wasserabsorption übereinstimmt. In Kombination mit den XPS-Daten ist diese gute Hydrophiliefähigkeit von Zn-CFQC wahrscheinlich auf den hohen Gehalt an funktionellen Sauerstoffgruppen auf der Zn-CFQC-Oberfläche zurückzuführen. Insgesamt führen unterschiedliche Oberflächensauerstoffgehalte zu unterschiedlichen hydrophilen Eigenschaften von Verdampfern auf CFQC-Basis. Hier nutzen wir erfolgreich eine Effizienzmethode zur Anreicherung der Oberflächenfunktionsgruppen und der Hydrophilie von Kohlenstofffasern durch Mischen mit einzigartiger Nanoblatt-Quinoa-Zellulose und chemischer Aktivierung.

(a–e) XPS-Kurvenanpassung des C 1s-Peaks für CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC und Zn-CFQC. (f) Sauerstoffgewichtsgehalt von CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC und Zn-CFQC. (g) Die Wasserkontaktwinkel von CFQC-basierten Verdampfern.

Die effiziente Nutzung der lichtabsorbierenden Materialien durch Sonnenlicht ist für die Anwendung der Solarverdunstung wichtig. Um die photothermische Fähigkeit der CFQC-basierten Verdampfer zu untersuchen, wurden eine IR-Kamera und ein Thermoelement verwendet, um die nasse und trockene Oberflächentemperatur des Zustands bei einer Sonneneinstrahlung und einer Umgebungstemperatur von 25 °C zu messen. Im Allgemeinen gilt: Je schneller die Oberflächentemperatur des Verdampfers ansteigt und je höher die Endtemperatur ist, desto besser sind die Lichtabsorption und die photothermische Leistung des Verdampfers. Wie in Abb. 5a dargestellt, steigt die nasse Oberflächentemperatur von Zn-CFQC nach 5-minütiger Beleuchtung von 17,0 auf 58,9 °C und steigt für weitere 5 Minuten weiter auf 59,8 °C an und steigt dann allmählich auf 62,1 °C an größer als die von CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC für 7,4 °C, 5,4 °C, 5,3 °C bzw. 1,7 °C. Diese Trends werden auch vom Thermoelement beobachtet, wie in Abb. 5c dargestellt. Darüber hinaus wurden die Temperaturen der trockenen Oberfläche auch per Thermoelement überwacht, um die photothermische Leistung weiter zu untersuchen. Wie in Abb. S6 dargestellt, steigt die Trockenoberflächentemperatur von Zn-CFQC bei 1-minütiger Beleuchtung von 24,1 auf 94,3 °C, steigt dann bei einer weiteren 1-minütigen Beleuchtung auf 113,4 °C und steigt um weitere 3 Minuten weiter auf 124,2 °C an min, was höher ist als der von CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC für 13,5 °C, 8,6 °C, 2,0 °C bzw. 3,5 °C. Anhand der Temperaturänderungstrends im nassen und trockenen Zustand ist es sehr klar, dass Zn-CFQC unter den verschiedenen CFQC-basierten Verdampfern die beste photothermische Umwandlungsleistung aufweist, was mit dem Ergebnis der Oberflächenrauheit übereinstimmt (Abb. 3). Um die beobachtete photothermische Leistung besser aufzuklären, haben wir UV-Vis-NIR durchgeführt, um die Lichtabsorptionsfähigkeit von CFQC-basierten Verdampfern zu untersuchen. Wie in Abb. 5b dargestellt, steigt die Lichtabsorptionsleistung nach der Aktivierung durch KOH, H3PO4, CuCl2 und ZnCl2 im UV-Vis-NIR-Bereich deutlich von 67,05 % auf 77,68 %, 81,57 %, 80,70 % bzw. 86,95 % (200–2500 nm). Die Ergebnisse der Lichtabsorption deuten darauf hin, dass durch ZnCl2 aktiviertes CFQC eine stärkere Lichtabsorptionsfähigkeit aufweist als andere Verdampfer, was ein direkter Beweis für eine gute Licht-Wärme-Leistung des Zn-CFQC-Verdampfers wäre. Insgesamt ist die gute photothermische Umwandlungsfähigkeit von Zn-CFQC möglicherweise auf den synergistischen Effekt seiner starken Lichtabsorptionsfähigkeit und der einzigartigen rauen Oberflächenstruktur zurückzuführen.

(a) IR-Kamerabilder für die Oberflächentemperaturen der CFQC-basierten Verdampfer während der Verdampfung unter einer Sonneneinstrahlung (Xenonlampe). (b) UV-Vis-NIR-Absorptionsprofile von CFQC-basierten Verdampfern; (c) Relative Zeit und Temperatur des nassen Zustands von Verdampfern gemäß Thermoelement unter einer Sonne (Xenonlampe).

Um die solare Verdunstungsleistung von CFQC-basierten Materialien systematisch zu untersuchen, wurde eine selbstgebaute Ausrüstung entworfen und eingesetzt, um die Verdunstungsleistung von CFQC-basierten Verdampfern quantitativ zu untersuchen, wobei die Umgebungsbedingungen bei etwa 25 °C und 40 % Luftfeuchtigkeit gehalten wurden. Hier wurden ein Computer und eine elektronische Waage miteinander verbunden und verwendet, um 1 Stunde lang alle 30 Sekunden Massenänderungen des Wassers im Vakuumbehälter aufzuzeichnen. Wie in Abb. 6a gezeigt, war der Verdampfer eng mit dem Baumwollstoff verbunden, der mit PS-Schaum umhüllt war, um die Wärmeübertragung auf das Grundwasser einzuschränken, wobei der Baumwollstoff durchhängte und in das Grundwasser eintauchte, um genügend Wasser für den Verdampfer bereitzustellen. Die zeitlichen Veränderungen der Wassermasse und der Wasserverdampfungsrate in verschiedenen CFQC-Verdampfern sind in Abb. 6b und c dargestellt, wobei die Lichtintensität bei einer Sonne (1000 W m−2) gehalten wurde. Die Abnahme des Massengewichts für reines Wasser beträgt nur 0,17 bzw. 0,36 kg bei Dunkelheit bzw. Sonnenlicht; Erfreulicherweise weisen die CFQC-basierten Verdampfer eine ausgesprochen hohe solare Verdampfungsfähigkeit auf. Beispielsweise verringert sich das Wassergewicht für 1 m2 CFQC während einer einstündigen Beleuchtung um 2,22 kg und seine Verdunstungsgeschwindigkeit steigt auf 2,33 kg m-2 h-1 (Abb. 6c), was mehr als 5,47-mal höher ist als bei reiner Wasserexistenz. Nach der Behandlung des CFQC-Verdampfers mit chemischen Mitteln steigt das verdampfte Wassergewicht weiter auf 2,43 kg, 2,68 kg, 2,81 kg und 3,09 kg für 1 m2 Probe und die damit verbundene Verdunstungsgeschwindigkeit beträgt 2,67, 2,81, 3,10 und 3,35 kg m−2 h−1 (Abb . 6c) jeweils für K-CFQC-, P-CFQC-, Cu-CFQC- und Zn-CFQC-Verdampfer, was dem 6,75-, 7,4-, 7,8- und 8,5-fachen des Werts von reinem Wasser entspricht. Abbildung 6d zeigt, dass die Verdampfungsrate des Zn-CFQC-basierten Verdampfers im Zeitraum von 30 Zyklen (1 Stunde für jeden Arbeitszyklus) bei 3,19 und 3,43 bleibt, was darauf hinweist, dass der Zn-CFQC-Verdampfer eine gute dauerhafte Leistung für Destillationsanwendungen aufweist.

(a) Schematische Darstellung des Systems zur Messung der solaren Verdunstung; (b) Wassermassenänderung über der Zeit für CFQC-basierte Verdampfer unter einer Sonne; (c) Zeit versus Verdunstungsrate von Verdampfern auf CFQC-Basis; (d) Haltbarkeit des Zn-CFQC-Verdampfers; (e) Li+-Gehalt in kondensiertem Wasser, das mit und ohne Zn-CFQC-Verdampfer gesammelt wurde. Abbildung (a) wurde von Jie Yang gezeichnet.

Es ist zu beachten, dass die Verdampfungsraten von Verdampfern auf CFQC-Basis bei einer Lichtintensität von 1000 W m-2 (1,592 kg m-2 h-1, der detaillierte Berechnungsprozess wie in den Zusatzinformationen gezeigt) weit über dem theoretischen Wert liegen Der Energienutzungsgrad liegt bei über 100 %, und diese Ergebnisse erscheinen unangemessen. Ähnliche experimentelle Phänomene wurden jedoch in einigen früheren Literaturstellen beobachtet, wie z. B. Verdampfer auf der Basis von Polyvinylalkohol (PVA)19,53,54, selbstschwärzendes Zellulose- und Graphenoxid-Verbundgel41 und hohle Kohlenstofffasern13 weisen eine höhere Verdampfungsrate auf als theoretisch unter einem Sonne, wo eine auf Wasserclustern basierende Verdunstung vorgeschlagen wurde und das Phänomen der Überschreitung des größten Wertes gut aufgeklärt werden kann53,54,55.

Gemäß der Theorie der Wassercluster-Verdampfung besteht bei Wasser, das von einigen Materialien absorbiert wird, eine größere Wahrscheinlichkeit, dass es verdampft, als bei Wasserclustern, was die Verdampfungsenthalpie verringern und weniger Energie erfordern würde als die Verdunstung von freiem Wasser. Um die Form der Wasserverdunstung in Zn-CFQC zu bestimmen, haben wir 80 g L−1 LiCl-Lösung mit und ohne Hilfe von Zn-CFQC unter einer Sonne verdampft und zwei Arten von kondensiertem Wasser angesammelt. Wie in Abb. 6e dargestellt, enthält das Kondenswasser ohne Hilfe von Zn-CFQC 0,1 mg Li+ in einem Liter, jedoch erreicht die Li+-Konzentration in Kondenswasser mit Hilfe von Zn-CFQC bis zu 11,75 mg L−1. Der bemerkenswerte Unterschied von Li+ in zwei verschiedenen kondensierten Wässern bestätigt, dass das Wasser über kleine Cluster verdampft, wenn Zn-CFQC vorhanden ist, und impliziert, dass die Wasserverdampfung weniger Energie erfordern würde als die eines einzelnen Moleküls, da die Verdampfungsenthalpie des absorbierten Wassers verringert wird in Zn-CFQC-Materialien gemäß früheren Studien19,55.

Die praktischen Anwendungen von Zn-CFQC für die solarbetriebene Entsalzung und die Behandlung von organisch verschmutztem Wasser wurden weiter untersucht. Hier verwendeten wir zunächst das simulierte Meerwasser, um die Entsalzungsleistung zu bewerten. Wie in Abb. 7a dargestellt, wird der Gehalt an Na+, K+, Ca2+ und Mg2+ des simulierten Meerwassers von der ursprünglichen Konzentration 11.619, 376,6, 1203,2, 1052,8 mg L−1 auf 0,9, 0,75, 1,10, 0,20 mg L− reduziert 1 mit Hilfe eines Zn-CFQC-Verdampfers, was darauf hinweist, dass durch Zn-CFQC verdampftes Meerwasser die Standards der Weltgesundheitsorganisation und der Environmental Protection Agency erreichen kann56,57. Außerdem wurden mit Methylrot und Methylblau verunreinigtes Wasser als typische organisch verunreinigte Proben ausgewählt. Wie in Abb. 7b und c gezeigt, ist die Farbe der 10 Gew.-%igen Methylrot- und Methylblau-Lösungen rosa bzw. dunkelblau; wohingegen beide Farben der kontaminierten Wasserlösungen nach der Reinigung durch Zn-CFQC transparent und farblos werden und die starken Absorptionspeaks von Methylrot und Methylblau bei etwa 536 nm bzw. 597 nm vollständig verschwunden sind. Das Verschwinden der Absorptionspeaks von Methylrot und Methylblau im aufbereiteten Wasser beweist, dass ein Verdampfungssystem auf Zn-CFQC-Basis in der Lage ist, organisch verunreinigtes Wasser zu reinigen.

(a) Entsalzungsleistung von Zn-CFQC; (b) UV-Vis-Spektren und Fotografie von mit Methylrot kontaminiertem Wasser und gereinigtem Wasser durch Zn-CFQC; (c) UV-Vis-Spektren und Fotografie von mit Methylblau kontaminiertem Wasser und gereinigtem Wasser durch Zn-CFQC; (d) HPLC-Kurve für mit Norfloxacin verunreinigtes Wasser und gereinigtes Wasser durch Zn-CFQC.

Leider wurden einige Süßwasserflüsse und -seen durch verschiedene Antibiotika wie Norfloxacin, Ofloxacin, Erythromycin, Roerythromycin, Enfloxacin und Sulfamazin kontaminiert58,59. Die Antibiotikaverschmutzung in Seen und Flüssen ist aufgrund ihrer negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit, insbesondere im Hinblick auf Antibiotikaresistenzprobleme, zu einem weltweiten öffentlichen Problem geworden60. Hier wurde mit Norfloxacin verunreinigtes Wasser (0,25 g L−1) als typisches mit Antibiotika verunreinigtes simuliertes Wasser ausgewählt. Wie in Abb. 7d dargestellt, verschwinden die starken Absorptionspeaks der Norfloxacin-Lösung nach etwa 9 Minuten in der HPLC-Kurve nach der Behandlung mit einem Verdampfer auf Zn-CFQC-Basis vollständig. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Zn-CFQC das Potenzial hat, das mit Antibiotika kontaminierte Wasser zu reinigen.

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass Zn-CFQC eine gute Leistung bei der Reinigung von Meerwasser, organisch verschmutztem Wasser und antibiotikaverseuchtem Wasser aufweist, was einen neuen Weg zur Herstellung von Hochleistungsverdampfern unter Verwendung landwirtschaftlicher Nebenprodukte (Quinoa-Kleie) und Kohlenstofffasern eröffnet.

Die Anti-Salz-Leistung ist für die praktische Anwendung von Solarverdampfungsverdampfern sehr wichtig, da sich an der Oberfläche ansammelndes Salz die Leistung des Verdampfers stark beeinträchtigt61. Die Materialien, die über die Fähigkeit zur Selbstreinigung von Salzen verfügen, müssen über eine Superhydrophilie und einen ausreichenden Wasserübertragungskanal verfügen, um die schnelle Selbstreinigungsleistung von Salzen zu gewährleisten, über die in früheren Studien berichtet wurde61,62,63. Interessanterweise zeigt Zn-CFQC eine wertvolle Fähigkeit zur automatischen Salzreinigung. Wie in Abb. 8a und b gezeigt, treten auf der Oberfläche des Zn-CFQC nach 12-stündiger Arbeit mit 3,5 Gew.-%iger und 7,0 Gew.-%iger NaCl-Lösung und nach einer Ruhephase (unter Dunkelheit oder LED) große Mengen an kristallinem Salz auf Licht, wobei die Lichtintensität der LED vernachlässigt wurde) für 7 bzw. 12 Stunden lösen sich die Oberflächensalze automatisch auf. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Salzablagerungen von der Oberfläche des Zn-CFQC-Verdampfers selbst reinigen, wenn keine oder nur schwache Lichteinstrahlung erfolgt. Wie in Abb. 8c dargestellt, sammelt sich das Salz unter einmaliger Sonneneinstrahlung langsam an der Oberfläche von Zn-CFQC an und kehrt dann während der arbeitsfreien Zeit allmählich in das Salzwasser zurück. Dieses Phänomen kann anhand der Theorie des chemischen Potentials gut erklärt werden. Wenn sich Salz an der Oberfläche ansammelt, ist die Salzkonzentration an der Oberfläche höher als die des Grundwassers. Das chemische Potenzial kann nach folgenden Formeln berechnet werden:

wobei \({\mu }_{1}\) und \({\mu }_{2}\) das Volumenwasser bzw. das chemische Oberflächenpotential ist, \({x}_{1}\) und \( {x}_{2}\) ist die Salzkonzentration an der Wasseroberfläche und an der Verdampferoberfläche, \(\Delta \mu \) ist die chemische Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche und dem Salzwasser.

(a) Phänomene der kristallinen Salzansammlung des Zn-CFQC-Verdampfers im Labor unter einer Sonne; (b) Selbstreinigungsphänomen des kristallinen Salzes an der Zn-CFQC-Oberfläche während der Dunkelheit; (c) Schematische Darstellung der Salzansammlung und des Selbstreinigungsmechanismus von Zn-CFQC während der Arbeitszeit und Pausenzeit.

Gemäß der Theorie des chemischen Potenzials ist das chemische Oberflächenpotenzial von Salz höher als das von Wasser in großen Mengen. Die Antriebskraft (\(\Delta \mu \)) zwischen dem Verdampfer und der Salzwassermenge würde dazu führen, dass das Salz mithilfe der Kanäle (Lücken) zwischen den dekorierten Kohlenstofffasern zurück in die Wassermenge wandert. Den früheren Studien41,62 zufolge kann die hervorragende Salzreinigungsfähigkeit auf ein ausreichendes Salzwasser-Übertragungsnetzwerk (Lücken) zurückgeführt werden, das durch 2D-Kohlenstofffasern auf Zellulosebasis mit Kohlenstoffdekor (Abb. 3) in Zn-CFQC bereitgestellt wird. und gute Hydrophilie (Abb. 4g). Reichlich wasserdurchlässige Kanäle und eine gute Wasseraufnahmekapazität würden dazu beitragen, dass Salzablagerungen während der Pausenzeit wieder in die Masse des simulierten Meerwassers zurückkehren, und sind eine wertvolle Leistung für langfristige solare Entsalzungsanwendungen.

Im Großen und Ganzen nutzen wir erfolgreich ein Solarverdunstungssystem bestehend aus QB-Zellulose und CF mit ausgezeichneter stabiler Solarverdunstungsleistung unter einer Sonne. Das resultierende Zn-CFQC-Verdampfungssystem kann 86,95 % des Lichts im UV-Vis-NIR-Bereich (200–2500 nm) absorbieren, was dazu führt, dass die Oberflächentemperatur des nassen und trockenen Verdampfers unter einer Sonne 62,1 bzw. 124,3 °C erreicht , mit entsprechender Verdunstungsgeschwindigkeit von 3,2 kg m−2 h−1. Gute Lichtabsorption und Licht-Wärme-Fähigkeiten können hauptsächlich auf einzigartige Oberflächenmikrostrukturen der Kohlenstofffaser zurückgeführt werden, die durch zweidimensionale Zellulose verziert und durch ZnCl2 aktiviert werden. Interessanterweise hat Zn-CFQC die Fähigkeit, mehrfach verschmutztes Wasser wie Meerwasser, organisch verunreinigtes Wasser und mit Antibiotika verunreinigtes Wasser zu reinigen. Außerdem hat Zn-CFQC aufgrund seiner Superhydrophilie und eines ausreichenden Wasserübertragungskanals zwischen der Kohlenstofffaser und der Kohlenstofffaser einen großen Wert für die Fähigkeit zur Reinigung von Salzablagerungen in der Nacht. Der entsprechende Mechanismus wird anhand der Theorie des chemischen Potentials veranschaulicht. Die Methode der Kohlenstofffaseraufbereitung bietet einen neuen und umweltfreundlichen Weg für eine effiziente solarbetriebene Süßwasserproduktion durch Aufbereitung von Meerwasser sowie mit organischen und Antibiotika kontaminiertem Wasser.

Quinoa-Kleie wurde von einem lokalen Unternehmen (Huaqing Quinoa, China) gesammelt. Kohlefaser wurde freundlicherweise von Zhongfu Shenying Carbon Fibre Co., Ltd. zur Verfügung gestellt. Kohlefaser wurde mit einer Schere auf eine Länge von etwa 2 mm geschnitten. Benzol, absolutes Ethanol, NaClO2, NaOH, HCl, KOH, H3PO4, CuCl2 und ZnCl2 wurden von Aladdin (Shanghai, China) bezogen.

Die Bedingungen für den Herstellungsprozess von Nanozelluloseplatten basieren auf früheren Studien50,64 und unserer vorherigen Studie41. Die Hauptschritte sind wie folgt: (1) Ein Benzol/absolutes Ethanol mit einem Volumenverhältnis von 2:1 wurde zur Behandlung der Quinoakleie (QB) mit Hilfe eines Soxhlet-Extraktors bei einer Temperatur von 90 °C für 360 Minuten angewendet. (2) Das resultierende Produkt wurde nach dem Trocknen in einem Ofen 5 Stunden lang in 10 Gew.-%iges NaClO2 mit einem pH-Wert von 4,5 bei 75 °C eingetaucht. (3) Die getrocknete Probe wurde weiter mit 2 % NaOH bei einer Temperatur von 90 °C für 120 Minuten behandelt und dann mit destilliertem Wasser gereinigt und in 1 % HCl bei einer Temperatur von 80 °C für 120 Minuten eingetaucht. (4) Das Zielprodukt wurde nach Filtrieren, Waschen und Trocknen in einem Ofen bei 60 °C erhalten.

Durch eine 10-stündige Behandlung wurde ein Ultraschallreiniger eingesetzt, um eine wässrige QBC-Lösung mit einem Massenanteil von 0,5 % zu erhalten. Anschließend wurden der resultierenden Lösung 0,5 g CF und 0,2 g aktiviertes Mittel zugesetzt, um durch weitere 1-stündige Behandlung homodisperse Suspensionen zu erhalten. 60 ml der obigen Suspension wurden durch eine Nylonmembran (0,45 μm) vakuumfiltriert, um QBC- und CF-Verbundfilme zu erhalten. Schließlich wurden Verdampfer auf CFQC-Basis erhalten, indem sie 48 Stunden lang bei –60 °C gefriergetrocknet und 1 Stunde lang bei 800 °C unter Stickstoffatmosphäre pyrolysiert wurden.

Das FTIR des QBC wurde mit einem Bruker FTIR-Spektrophotometer (TENSORII, Deutsch) ermittelt. Die XRD-Daten wurden mit einem XRD-Gerät (Bruker, Modell D8 Discover mit GADDS, Deutsch) ermittelt. Der Querschnitt der Proben wurde mit einem Zeiss Sigma 300 SEM (deutsch) mit Hilfe einer Goldsputterbeschichtung vermessen. Die Mikrostruktur des QBC wurde mit einem hochauflösenden Raster-TEM (Titan G2 60-300, Amerika) beobachtet. Die Lichtabsorptionsleistung des CFQC-basierten Verdampfers wurde mit einem UV-Vis-Spektrometer (Lambda1050, Deutschland) bewertet. Um die Hydrophilie der Proben abzuschätzen, wurde ein Kontaktwinkelmessgerät eingesetzt. Der Gehalt an K+, Na+, Ca2+, Mg2+ und Li+ in Wasser wurde mit einem ICP-Gerät (Agilent 5110, Amerika) getestet. Die Konzentrationen von mit Methylblau kontaminiertem Methylblau und Methylrot wurden mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (UV-2550, Shimadzu, Japan) getestet. Die Konzentrationen des mit Norfloxacin verunreinigten Wassers wurden mit einem Hochleistungsflüssigkeitschromatographen (Waters 600, America) gemessen.

Eine PLS-SXE300 Xenonlampe (China) wurde verwendet, um die Verdampfungsleistung von Verdampfern auf CFQC-Basis mit Hilfe eines AM 1,5-Filters zu bewerten, wobei die Lichtintensität durch ein FZ-A-Leistungsmessgerät (China) bestätigt und der Wassergewichtsverlust durch a aufgezeichnet wurde computergestützte elektronische Waage. Um die Licht-Wärme-Leistung besser zu untersuchen, wurden CFQC-basierte Verdampfer fest auf einen mit Baumwolltuch umwickelten PS-Schaum gelegt, wobei Baumwolltuch als Wasserpumpe fungierte, um ausreichend Wasser aus dem Grundwasser bereitzustellen. Eine ST9450-Infrarotkamera (China) und ein UT3208-Thermoelement wurden verwendet, um die Temperaturspuren der nassen und trockenen Oberfläche von Verdampfern und Grundwasser zu verfolgen.

Die Daten dieses Manuskripts sind beim korrespondierenden Autor Xidong Suo erhältlich.

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Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung durch: Fundamental Research Program of Shanxi Province (201901D211458, 20210302124332), Scientific and Technologial Innovation Programs of Higher Education Institutions in Shanxi (2021L448, 2021L460), Xinzhou Teachers University (2020KY04). Die Autoren danken außerdem für die Unterstützung bei TEM-, SEM-, XPS- und ICP-Tests durch das Shiyanjia-Labor (www.shiyanjia.com).

Fakultät für Chemie, Xinzhou Teachers University, 1 Dun Qi Street, Xinzhou, 034000, Shan Xi, China

Jie Yang, Xidong Suo, Jingjing Zhao, Jing Wang, Runye Zhou, Yu Zhang, Yifei Zhang, Hongtao Qiao und Xiaohang Luo

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JY: Methodik, Konzeptualisierung, Software, Validierung, Datenkuration, Schreiben – Originalmanuskript, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Finanzierungseinwerbung. XS: Methodik, Validierung, Visualisierung, Untersuchung, Ressourcen, Datenkuratierung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Überwachung, Finanzierungsakquise. JZ: Untersuchung, Datenkuration. JW: Untersuchung, Datenkuration. RZ: Untersuchung, Datenkuration. Yu.Z.: Untersuchung, Datenkuration. Yi.Z.: Untersuchung, Datenkuration. Hauptsitz: Methodik, Untersuchung, Datenkuratierung, Finanzierungseinwerbung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. XL: Untersuchung, Datenkuration.

Korrespondenz mit Xidong Suo oder Hongtao Qiao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yang, J., Suo, X., Zhao, J. et al. Mit Quinoa-Zellulose-Nanofolie beschichtete Kohlefaser mit hervorragender Selbstreinigungsleistung von Kalksalz und Reinigung von mit organischen und Antibiotika kontaminiertem Wasser. Sci Rep 12, 8777 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12889-9

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Eingegangen: 04. April 2022

Angenommen: 16. Mai 2022

Veröffentlicht: 24. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12889-9

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