Fibra de carbono recubierta por nanoláminas de celulosa de quinua con excelente sal escamada.

Jul 29, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 8777 (2022) Citar este artículo

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Hasta la fecha, se han desarrollado varias tecnologías de evaporación impulsadas por energía solar para el tratamiento de agua de mar y aguas residuales, pero con la amenaza de la contaminación por sal y el tratamiento único del agua de mar. En este documento, desarrollamos un evaporador multifuncional construido con fibra de carbono recubierta con nanoláminas de celulosa de quinua (CFQC) con un excelente rendimiento de autolimpieza y buenas propiedades de purificación para el tratamiento de agua contaminada con compuestos orgánicos y antibióticos. El Zn-CFQC resultante presenta un buen rendimiento lumínico y térmico que puede absorber aproximadamente el 86,95% de la luz en el rango de UV-Vis-NIR (200-2500 nm); por lo tanto, las temperaturas de la superficie húmeda y seca de Zn-CFQC se mantienen en 62,1 y 124,3 °C respectivamente, y mantienen una velocidad de 3,2 kg m-2 h-1 para el agua que se evapora bajo una iluminación de 1000 W m-2. Estas buenas capacidades de luz a térmica se pueden atribuir principalmente a las microestructuras superficiales únicas de la fibra de carbono que están decoradas con celulosa bidimensional y activadas por ZnCl2. Además, el Zn-CFQC muestra una buena capacidad de limpieza automática de la sal durante la noche y el mecanismo correspondiente se ha dilucidado simplemente según la teoría del potencial químico. El método de tratamiento de fibra de carbono abre una nueva vía para la utilización comercial de fibra de carbono en la purificación de agua asistida por energía solar.

Los desafíos de la escasez de energía y agua potable, especialmente en las zonas remotas, se están convirtiendo en un problema cada vez más grave e influirían gravemente en el desarrollo económico y social1,2. Actualmente, se han propuesto muchas tecnologías para resolver estos problemas3,4,5, por ejemplo, sistemas inversos6,7, flash de múltiples etapas8,9, tratamiento adsorbido10, recolección de niebla diminuta2,11,12 y evaporación asistida por interfaz solar13,14, entre otras. que la evaporación asistida por energía solar se considera una estrategia prometedora para abordar la escasez de agua dulce mediante el tratamiento del agua de mar debido a su economía, fácil operación, fuentes de energía renovables, sostenibilidad y respeto al medio ambiente15,16. La mayor ventaja de la evaporación interfacial es la alta eficiencia en el uso de energía solar, lo que se atribuye a su excelente gestión de la energía al suprimir notablemente la pérdida de calor al agua a granel a través de una espuma de aislamiento térmico entre el agua a granel y la interfaz de trabajo, y una buena gestión del agua posible gracias a las propiedades hidrófilas de las partículas fotovoltaicas. Materiales de conversión térmica13,17,18,19. En consecuencia, hay un gran número de científicos dedicados a investigaciones de campo relacionadas y se han desarrollado con éxito muchos tipos de materiales de conversión fototérmica20,21. Sin embargo, los materiales más reportados adolecen de desventajas como la susceptibilidad a la contaminación por sal, procesos de preparación complejos y dificultad de ampliación, que obstaculizan seriamente el progreso de las aplicaciones prácticas. Por lo tanto, diseñar y fabricar un material fototérmico con fácil ampliación, resistencia a la sal, estabilidad a largo plazo y utilización de campo multifuncional es urgente e importante para el desarrollo de la evaporación asistida por energía solar.

Hay muchos materiales candidatos para la evaporación asistida por energía solar y muchos de ellos tienen grandes perspectivas prometedoras para su aplicación práctica, como los materiales plasmónicos22,23, los semiconductores24,25, los materiales a base de carbono26,27,28 y los polímeros2,21,29,30. . Además, se han introducido nuevas tecnologías avanzadas en el campo de la generación de vapor solar para mejorar la eficiencia de la evaporación del agua31,32,33,34,35, como la tecnología de deposición de capas atómicas (ALD)31 y la tecnología de fabricación de materiales Janus30,32,33,36. , tecnología sinérgica piezoeléctrica y de vapor solar35,37 y tecnología sinérgica de generación de vapor solar y fotovoltaica23,38. Para los materiales de conversión fototérmica, los materiales de carbono han atraído un gran interés en virtud de su excelente estabilidad química, estabilidad térmica, absorción de banda ancha de luces solares y amplias fuentes de la naturaleza y productos industriales13,39,40,41. La fibra de carbono (CF), como producto comercial con el rendimiento de “ligero y resistente”, se usa ampliamente en materiales compuestos avanzados (aplicaciones aeroespaciales, militares, deportivas, automotrices y otras) debido a sus excelentes propiedades, incluida baja densidad y excelentes propiedades mecánicas. resistencia a la corrosión, resistencia a la fluencia, estabilidad química, buena conductividad térmica y particularmente buena adsorción de la luz solar42,43,44,45. A pesar de tantos méritos de la CF, la hidrofilicidad de su superficie es demasiado pobre para ser utilizada directamente para la evaporación asistida por energía solar debido a la ausencia de grupos funcionales polares46. Se han realizado muchos esfuerzos para mejorar la capacidad hidrófila de la fibra de carbono para la evaporación del vapor de agua, incluido el tratamiento con ácido nítrico47, tratamientos con plasma48, método hidrotermal46, recubierto con grafeno49. Aunque estas tecnologías tienen buenos resultados, los métodos de fabricación de materiales son demasiado complejos y costosos para ser utilizados ampliamente. Por lo tanto, es importante explotar un nuevo método para mejorar la hidrofilicidad de la CF y la utilización de la purificación del agua asistida por energía solar.

Aquí, primero desarrollamos un evaporador multifuncional fabricado con fibra de carbono y nanohojas de celulosa de salvado de quinua (QBC). Se utilizan varios agentes activados, incluidos KOH, H3PO4, CuCl2 y ZnCl2, para tratar los compuestos de fibra de carbono y celulosa, con el fin de marcar diferencias en la microestructura de su superficie y mejorar su rendimiento de evaporación solar. Además de evaporar agua de mar, el evaporador basado en Zn-CFQC también muestra una buena capacidad en el tratamiento de agua contaminada con sustancias orgánicas y antibióticos. Además, Zn-CFQC también exhibe un excelente rendimiento de autolimpieza de sal para agua salina al 3,5% en peso y al 7,0% en peso. Aquí, explotamos una tecnología conveniente para purificar el agua de mar, el agua contaminada con antibióticos y orgánicos para la producción de agua dulce mediante la utilización de fibra de carbono comercial y subproductos agrícolas.

La Figura 1 ilustra el proceso de fabricación del CFQC, que se fabricó a partir de CF y QBC con la ayuda de procesos de filtración al vacío, criodesecación y carbonización a alta temperatura. El salvado de quinua se acumuló y se lavó con agua purificada y luego se trató sucesivamente con una solución compuesta de benceno/etanol absoluto, 10% en peso de NaClO2 (pH 4 ~ 5) y 2% en peso de KOH para descartar pectina, lignina, hemicelulosa y otros químicos50. El producto resultante se dispersó en agua purificada mediante tratamiento alternativo con ultrasonido y homogeneizador, y luego se mezcló con agente activador (10% en peso, KOH, H3PO4, CuCl2 y ZnCl2) y CF (50% en peso) usando un limpiador ultrasónico para obtener el compuesto homogéneo. dispersión. Finalmente, los evaporadores basados ​​en CFQC se cosecharon con fibra de carbono recubierta con nanohojas de celulosa de quinua después de filtración al vacío, liofilización y pirolización a 800 °C. El mecanismo de activación de KOH, H3PO4, CuCl2 y ZnCl2 se resume en información complementaria. Los evaporadores preparados se etiquetaron como CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC y Zn-CFQC por no representar agente activador, y se activaron con KOH, H3PO4, CuCl2 y ZnCl2, respectivamente.

Exposición esquemática de los pasos de fabricación de evaporadores basados ​​en CFQC. El sitio de tierras de cultivo está ubicado en el condado de Jingle, ciudad de Xinzhou, provincia de Shanxi, China. Las plantas de quinua fueron fotografiadas por Jie Yang, Departamento de Química de la Universidad de Profesores de Xinzhou.

La composición química y la estructura cristalina del QBC han sido investigadas y analizadas mediante XRD y FTIR en nuestro trabajo anterior41, y los resultados correspondientes se muestran en la Fig. S1. Los resultados anteriores muestran que preparamos con éxito celulosa tipo I a partir de salvado de quinua. Para investigar más a fondo la microestructura, empleamos el microscopio electrónico de transmisión (TEM) para verificar la morfología microscópica del QBC. Como se muestra en las Figs. 2a y by S2, QBC exhibe de manera interesante escamas grandes bidimensionales (2D) con un tamaño superior a 7 μm × 1,5 μm y una estructura amorfa. Mientras tanto, las asignaciones elementales fueron determinadas por EDS, y los resultados correspondientes se muestran en las figuras 2c y d. Es fácil encontrar que las nanoláminas QBC están compuestas por elementos de carbono y oxígeno, lo que es consistente con los resultados de FTIR (Fig. S1).

(a) y (b) imagen TEM de la nanohoja de celulosa de quinua, (c) y (d) imágenes de mapeo EDS de la nanohoja de celulosa de quinua.

Las morfologías de todos los evaporadores basados ​​en CFQC se estudiaron con la ayuda de microscopía electrónica y las fotografías correspondientes se ilustran en las Figs. 3 y S3. Todas las películas basadas en CFQC, incluidas las muestras no activadas por agentes químicos (CFQC), exhiben estructuras de coexistencia típicas y similares de fibra de carbono recubierta con nanohojas de celulosa de quinua carbonizada (círculo verde en la Fig. 3) y nanohojas de celulosa carbonizada (círculo rojo en la Fig. 3), que indica que la nanolámina de celulosa de quinua carbonizada y la fibra de carbono se pueden combinar bien mediante un enlace covalente después de la pirólisis a 800 °C, lo que se observó en artículos anteriores51,52. Más importante aún, en comparación con el CF prístino (Fig. S4), las morfologías de la superficie de las muestras basadas en CFQC se volvieron obviamente diferentes y más rugosas después de recubrirlas con QBC y tratamiento pirolizado, y las superficies quedaron completamente cubiertas por muchas microranuras. En el caso del Zn-CFQC, la superficie está significativamente cubierta por muchas partículas pequeñas y se vuelve más rugosa, mientras que otras muestras solo contienen microsurcos. Una superficie tan complicada sería favorable para las aplicaciones prácticas de absorción de luz y evaporación.

Las fotografías SEM de las secciones transversales y morfologías de superficie de evaporadores compuestos basados ​​en CFQC. Muestra: (a) CFQC, (b), K-CFQC, (c) P-CFQC, (d) Cu-CFQC y (e) Zn-CFQC, (1) y (2) para secciones transversales y superficie de fibra de carbono. morfologías respectivamente.

Además, los grupos funcionales de evaporadores basados ​​en CFQC se monitorearon utilizando espectros de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), como se muestra en las figuras 4a a f. A partir del ajuste de curvas de los espectros de C 1, existe evidencia clara de que varios evaporadores CFQC contienen muchos grupos funcionales que contienen oxígeno (C – O y C = O), lo que puede mejorar notablemente la capacidad hidrófila al anclar grupos funcionales polares en la superficie de la fibra de carbono. . Como se muestra en la Fig. 4f, los contenidos de oxígeno de CFQC, K-CFQC y P-CFQC son de alrededor del 20% en peso; mientras que el contenido de oxígeno aumenta del 20% en peso al 28 y 42% en peso respectivamente para las muestras activadas con CuCl2 y ZnCl2. Estos resultados indican que las muestras después de ser activadas por cloruro metálico seleccionado tendrían un alto contenido de oxígeno. Como se muestra en la Fig. S5, en comparación con CFQC, K-CFQC y P-CFQC, la capacidad de absorción de agua de las muestras de CFQC aumenta significativamente después de activarlas con cloruro metálico. Para obtener directamente la capacidad hidrofílica de las muestras, los datos del ángulo de contacto se probaron cuidadosamente y se resumieron en la Fig. 4g. Las gotitas para CFQC, K-CFQC y P-CFQC se mantienen a 115°, 106,9° y 108,9° respectivamente después de 125 ms; mientras que las gotas de Cu-CFQC y Zn-CFQC se mantienen a 63,9° y 15° respectivamente después de 125 ms. Los datos del ángulo de contacto indican que el CFQC activado por cloruro metálico, especialmente cloruro de zinc, exhibe una buena capacidad hidrófila, lo que concuerda con los resultados de absorbencia de agua. Combinado con los datos de XPS, esta buena capacidad hidrófila del Zn-CFQC probablemente se deba al alto contenido de grupo funcional oxígeno en la superficie del Zn-CFQC. En general, diferentes contenidos de oxígeno en la superficie darán lugar a diversas capacidades hidrofílicas para los evaporadores basados ​​en CFQC. Aquí, explotamos con éxito un método eficiente para enriquecer los grupos funcionales de la superficie y la hidrofilicidad de la fibra de carbono mezclándola con nanohojas de celulosa de quinua únicas y activación química.

(a – e) Ajuste de la curva XPS del pico C 1s para CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC y Zn-CFQC. (f) Contenido en peso de oxígeno de CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC y Zn-CFQC. (g) Los ángulos de contacto con el agua de los evaporadores basados ​​en CFQC.

La utilización eficiente de la luz solar de los materiales absorbidos es importante para la aplicación de la evaporación solar. Para investigar la capacidad fototérmica de los evaporadores basados ​​en CFQC, se utilizaron una cámara de infrarrojos y un termopar para medir la temperatura de la superficie húmeda y seca de la condición con una iluminación solar y una temperatura ambiente de 25 °C. Generalmente, cuanto más rápido aumenta la temperatura de la superficie del evaporador y cuanto mayor es la temperatura final, mejor es la absorción de luz y el rendimiento fototérmico del evaporador. Como se ilustra en la Fig. 5a, la temperatura de la superficie húmeda de Zn-CFQC aumenta de 17,0 a 58,9 °C después de 5 minutos de iluminación, y aumenta aún más a 59,8 °C durante otros 5 minutos, y luego aumenta gradualmente a 62,1 °C, que es mayor que el de CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC para 7,4 °C, 5,4 °C, 5,3 °C y 1,7 °C respectivamente. Estas tendencias también se observan mediante termopar como se muestra en la Fig. 5c. Además, las temperaturas de la superficie seca también fueron monitoreadas mediante termopar para investigar más a fondo el rendimiento fototérmico. Como se muestra en la Fig. S6, la temperatura de la superficie seca de Zn-CFQC aumenta de 24,1 a 94,3 °C con 1 minuto de iluminación, y luego aumenta a 113,4 °C con otro minuto de iluminación, y aumenta aún más a 124,2 °C con otros 3 minutos. min, que es superior al de CFQC, K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC para 13,5 °C, 8,6 °C, 2,0 °C y 3,5 °C respectivamente. De acuerdo con las tendencias de cambio de temperatura en condiciones húmedas y secas, está muy claro que Zn-CFQC tiene el mejor rendimiento de conversión fototérmica entre los diversos evaporadores basados ​​en CFQC, lo que es consistente con el resultado de rugosidad de la superficie (Fig. 3). Para dilucidar mejor el rendimiento fototérmico observado, llevamos a cabo UV-Vis-NIR para explorar las capacidades de absorción de luz de los evaporadores basados ​​en CFQC. Como se muestra en la Fig. 5b, después de activarse con KOH, H3PO4, CuCl2 y ZnCl2, el rendimiento de absorción de luz aumenta claramente de 67,05% a 77,68%, 81,57%, 80,70% y 86,95% respectivamente en el rango de UV-Vis-NIR. (200-2500 nm). Los resultados de absorción de luz sugieren que el CFQC activado por ZnCl2 tiene una mayor capacidad de absorción de luz que otros evaporadores, lo que sería una evidencia directa de un buen rendimiento lumínico y térmico para el evaporador de Zn-CFQC. En general, la buena capacidad de conversión fototérmica del Zn-CFQC puede deberse al efecto sinérgico de su fuerte capacidad de absorción de luz y su estructura superficial rugosa única.

(a) Imágenes de cámaras de infrarrojos para las temperaturas de la superficie de los evaporadores basados ​​en CFQC durante la evaporación bajo una irradiación solar (lámpara de xenón). (b) perfiles de absorción UV-vis-NIR de evaporadores basados ​​en CFQC; (c) Tiempo y temperatura relativos de la condición húmeda de los evaporadores según el termopar bajo un sol (lámpara de xenón).

Para estudiar sistemáticamente el rendimiento de la evaporación solar de los materiales basados ​​en CFQC, se diseñó y aplicó un equipo casero para investigar cuantitativamente el rendimiento de la evaporación de los evaporadores basados ​​en CFQC, donde las condiciones ambientales se mantuvieron a aproximadamente 25 °C y 40 % de humedad. Aquí, se conectaron y emplearon una computadora y una balanza electrónica para registrar los cambios de masa de agua en un recipiente al vacío cada 30 s durante 1 h. Como se muestra en la Fig. 6a, el evaporador estaba estrechamente unido a la tela de algodón que envolvía una espuma de PS para restringir la transferencia de calor al agua a granel, donde la tela de algodón se hundía y se sumergía en el agua a granel para suministrar suficiente agua para el evaporador. Los cambios de la masa de agua y la tasa de evaporación del agua con el tiempo en varios evaporadores CFQC se ilustraron en las figuras 6b y c, donde la intensidad de la luz se mantuvo en un sol (1000 W m-2). La disminución del peso másico del agua pura es de sólo 0,17 y 0,36 kg en condiciones de oscuridad y de un solo sol, respectivamente; Sorprendentemente, los evaporadores basados ​​en CFQC exhiben una capacidad de evaporación solar claramente alta. Por ejemplo, el peso del agua reduce 2,22 kg por 1 m2 de CFQC durante 1 h de iluminación y su velocidad de evaporación aumenta a 2,33 kg m-2 h-1 (Fig. 6c), que es más de 5,47 veces mayor que la de la existencia únicamente de agua. Después del tratamiento con agentes químicos en el evaporador CFQC, el peso del agua evaporada aumenta aún más a 2,43 kg, 2,68 kg, 2,81 kg y 3,09 kg para una muestra de 1 m2 y una velocidad de evaporación vinculada de 2,67, 2,81, 3,10 y 3,35 kg m-2 h-1 (Fig. .6c) respectivamente para el evaporador de K-CFQC, P-CFQC, Cu-CFQC y Zn-CFQC, que es 6,75, 7,4, 7,8 y 8,5 veces el del agua pura. La Figura 6d muestra que la tasa de evaporación del evaporador basado en Zn-CFQC permanece en 3,19 y 3,43 en el período de 30 ciclos (1 h por cada ciclo de trabajo), lo que indica que el evaporador de Zn-CFQC tiene un buen rendimiento duradero para aplicaciones de destilación.

(a) Ilustración esquemática del sistema de medición de la evaporación solar; (b) Cambio de masa de agua versus tiempo para evaporadores basados ​​en CFQC bajo un sol; (c) Tiempo versus tasa de evaporación de evaporadores basados ​​en CFQC; (d) Durabilidad del evaporador de Zn-CFQC; (e) Contenido de Li+ en agua condensada recogida con y sin evaporador de Zn-CFQC. La figura (a) fue dibujada por Jie Yang.

Cabe señalar que las tasas de evaporación del evaporador basado en CFQC están mucho más allá del valor teórico bajo la intensidad de luz de 1000 W m-2 (1,592 kg m-2 h-1, el proceso de cálculo detallado como se muestra en la información complementaria), con aparente tasa de utilización de energía superior al 100%, y esos resultados no parecen razonables. Pero se han observado fenómenos experimentales similares en algunas publicaciones anteriores, como los evaporadores basados ​​en alcohol polivinílico (PVA)19,53,54, el gel compuesto de celulosa y óxido de grafeno que se oscurece automáticamente41 y la fibra de carbono hueca13 tienen una tasa de evaporación más alta que la teórica bajo una sol, donde se ha propuesto una evaporación basada en grupos de agua y se puede dilucidar bien el fenómeno más allá del mayor valor53,54,55.

Según la teoría de la vaporización de grupos de agua, el agua absorbida por algunos materiales tendría más probabilidad de evaporarse en forma de grupos de agua, lo que reduciría la entalpía de evaporación y requeriría menos energía que la evaporación del agua libre. Para determinar la forma de evaporación del agua en Zn-CFQC, evaporamos 80 g L-1 de solución de LiCl con y sin la ayuda de Zn-CFQC bajo 1 sol y acumulamos dos tipos de agua condensada. Como se muestra en la Fig. 6e, el agua condensada sin ayuda de Zn-CFQC contiene Li+ de 0,1 mg por litro; sin embargo, la concentración de Li+ en el agua condensada con ayuda de Zn-CFQC alcanza hasta 11,75 mg L-1. La notable diferencia de Li+ en dos aguas condensadas diferentes confirma que el agua se evapora en pequeños grupos cuando existe Zn-CFQC e implica que la evaporación del agua necesitaría menos energía que la de una sola molécula al reducir la entalpía de evaporación del agua absorbida. en materiales de Zn-CFQC según estudios previos19,55.

Se investigaron más a fondo las aplicaciones prácticas del Zn-CFQC para la desalinización impulsada por energía solar y el tratamiento de aguas contaminadas orgánicamente. Aquí, primero utilizamos agua de mar simulada para evaluar el rendimiento de la desalinización. Como se ilustra en la Fig. 7a, el contenido de Na+, K+, Ca2+ y Mg2+ del agua de mar simulada se reduce de la concentración original 11.619, 376,6, 1203,2, 1052,8 mg L-1 a 0,9, 0,75, 1,10, 0,20 mg L- 1 con la ayuda de un evaporador de Zn-CFQC respectivamente, lo que indica que el agua de mar evaporada por Zn-CFQC puede alcanzar los estándares de la Organización Mundial de la Salud y la Agencia de Protección Ambiental56,57. Además, se eligieron aguas contaminadas con rojo de metilo y azul de metilo como muestras típicas de contaminación orgánica. Como se muestra en las figuras 7b y c, el color de las soluciones de rojo de metilo y azul de metilo al 10% en peso es rosa y azul oscuro respectivamente; mientras que ambos colores de las soluciones de agua contaminada se transforman en transparentes e incoloros después de la purificación con Zn-CFQC y los picos característicos de fuerte absorción del rojo de metilo y el azul de metilo a aproximadamente 536 nm y 597 nm desaparecen por completo respectivamente. La desaparición de los picos de absorción de rojo de metilo y azul de metilo en el agua tratada demuestra que el sistema de evaporación basado en Zn-CFQC tiene la capacidad de purificar el agua contaminada con compuestos orgánicos.

(a) Rendimiento de desalinización de Zn-CFQC; (b) espectros UV-Vis y fotografía de agua contaminada con rojo de metilo y agua purificada por Zn-CFQC; (c) espectros UV-Vis y fotografía de agua contaminada con azul de metilo y agua purificada mediante Zn-CFQC; (d) Curva de HPLC para agua contaminada con norfloxacina y agua purificada por Zn-CFQC.

Desafortunadamente, algunos ríos y lagos de agua dulce han sido contaminados por diversos antibióticos, como norfloxacina, ofloxacina, eritromicina, roeritromicina, enfloxacina y sulfamacina58,59. La contaminación por antibióticos en lagos y ríos se ha convertido en una preocupación pública mundial debido a su impacto negativo en el medio ambiente ecológico y la salud humana, especialmente en lo que respecta a los problemas de resistencia a los antibióticos60. En este caso, se eligió agua contaminada con norfloxacina (0,25 g L-1) como agua simulada típica contaminada con antibióticos. Como se ilustra en la Fig. 7d, los fuertes picos característicos de absorción de la solución de norfloxacina a aproximadamente 9 minutos en la curva de HPLC desaparecen por completo después del tratamiento con un evaporador basado en Zn-CFQC. Estos resultados sugieren que Zn-CFQC tiene la capacidad potencial de purificar el agua contaminada con antibióticos.

Los resultados anteriores muestran que el Zn-CFQC tiene un buen rendimiento para purificar el agua de mar, el agua contaminada con compuestos orgánicos y el agua contaminada con antibióticos, lo que abre una nueva vía para fabricar evaporadores de alto rendimiento utilizando subproductos agrícolas (salvado de quinua) y fibra de carbono.

El rendimiento antisal es muy importante para la aplicación práctica del evaporador solar debido a que la sal acumulada en la superficie disminuye en gran medida el rendimiento del evaporador61. Los materiales que poseen propiedades de limpieza con sal propia deben tener superhidrofilicidad y suficiente canal de transmisión de agua para satisfacer su rápido rendimiento de limpieza con sal, como se ha informado en estudios anteriores61,62,63. Curiosamente, Zn-CFQC muestra una valiosa capacidad de limpieza automática de sal. Como se muestra en las figuras 8a y b, emergen grandes cantidades de sal cristalina en la superficie del Zn-CFQC después de trabajar durante 12 h con una solución de NaCl al 3,5% en peso y al 7,0% en peso, y después de un período de descanso (en condiciones de oscuridad o LED). luz, donde se despreció la intensidad de la luz del LED) durante 7 h y 12 h respectivamente, las sales de la superficie se disuelven automáticamente. Los resultados muestran que las incrustaciones de sal se autolimpian de la superficie del evaporador de Zn-CFQC en condiciones de irradiación de luz débil o nula. Como se muestra en la Fig. 8c, la sal se acumula lentamente en la superficie de Zn-CFQC bajo la iluminación de un sol y luego regresa gradualmente a la masa de agua salada durante el período de inactividad. Este fenómeno puede explicarse bien dependiendo de la teoría del potencial químico. Cuando la sal se acumula en la superficie, la concentración de sal en la superficie es mayor que la del agua a granel. El potencial químico se puede calcular según las siguientes fórmulas:

donde \({\mu }_{1}\) y \({\mu }_{2}\) es el potencial químico del agua en masa y de la superficie respectivamente, \({x}_{1}\) y \( {x}_{2}\) es la concentración de sal en la superficie del agua salada y en la superficie del evaporador, \(\Delta \mu \) es la diferencia de potencial químico entre la superficie y el agua salada en masa.

(a) Fenómeno de acumulación de sales cristalinas del evaporador de Zn-CFQC en el laboratorio bajo un sol; (b) Fenómeno de autolimpieza de sal cristalina en la superficie de Zn-CFQC durante la oscuridad; (c) Diagrama esquemático del mecanismo de acumulación de sal y autolimpieza del Zn-CFQC durante el tiempo de trabajo y descanso.

Según la teoría del potencial químico, el potencial químico superficial de la sal es mayor que el del agua en masa. La fuerza impulsora (\(\Delta \mu \)) entre el evaporador y el agua salada a granel provocaría que la sal migrara de regreso al agua a granel con la ayuda de los canales (espacios) entre las fibras de carbono decoradas. Según estudios previos41,62, la maravillosa capacidad de limpieza de sal se puede atribuir a una adecuada red de transmisión de agua salada (brechas), que proporcionada por fibras de carbono decoradas con carbono 2D a base de celulosa (Fig. 3) en Zn-CFQC, y buena hidrofilicidad (Fig. 4g). Los abundantes canales de transmisión de agua y una buena capacidad de absorción de agua ayudarían a que las incrustaciones de sal regresen al agua de mar simulada a granel durante el tiempo de descanso y es un rendimiento valioso para aplicaciones de desalinización solar a largo plazo.

En general, explotamos con éxito un sistema de evaporación solar compuesto por celulosa QB y CF con un excelente rendimiento de evaporación solar estable bajo un solo sol. El sistema de evaporación Zn-CFQC resultante puede absorber el 86,95% de las luces en la región UV-Vis-NIR (200 ~ 2500 nm), lo que da como resultado que la temperatura de la superficie del evaporador húmedo y seco alcance 62,1 y 124,3 °C bajo un mismo sol, respectivamente. , con la correspondiente velocidad de evaporación de 3,2 kg m-2 h-1. La buena absorción de luz y las capacidades de luz a térmica se pueden atribuir principalmente a microestructuras superficiales únicas de la fibra de carbono decoradas con celulosa bidimensional y activadas por ZnCl2. Curiosamente, el Zn-CFQC tiene la capacidad de purificar agua multicontaminada, como agua de mar, agua contaminada orgánicamente y agua contaminada con antibióticos. Además, el Zn-CFQC tiene un gran valor en la capacidad de limpieza de incrustaciones de sal durante la noche debido a su superhidrofilicidad y suficiente canal de transmisión de agua entre la fibra de carbono y la fibra de carbono y el mecanismo correspondiente se ilustra de acuerdo con la teoría del potencial químico. El método de tratamiento de fibra de carbono proporciona una forma nueva y ecológica para la producción eficiente de agua dulce mediante energía solar mediante el tratamiento de agua de mar, agua contaminada con antibióticos y compuestos orgánicos.

El salvado de quinua se recolectó de una empresa local (Huaqing Quinoa, China). La fibra de carbono fue suministrada amablemente por Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd. La fibra de carbono se cortó con tijeras hasta obtener una longitud de aproximadamente 2 mm. El benceno, el etanol absoluto, NaClO2, NaOH, HCl, KOH, H3PO4, CuCl2 y ZnCl2 se obtuvieron de Aladdin (Shanghai, China).

Las condiciones del proceso de fabricación de láminas de nanocelulosa se basan en estudios previos50,64 y en nuestro estudio anterior41. Los pasos principales son los siguientes: (1) Se aplicó benceno/etanol absoluto con una proporción de volumen de 2:1 para tratar el salvado de quinua (QB) con la ayuda de un extractor Soxhlet a una temperatura de 90 °C durante 360 ​​minutos. (2) El producto resultante, después de secarlo en un horno, se sumergió en NaClO2 al 10% en peso con un pH de 4,5 a 75 °C durante 5 h. (3) La muestra seca se trató adicionalmente con NaOH al 2 % a una temperatura de 90 °C durante 120 min, y luego se limpió con agua destilada y se sumergió en HCl al 1 % a una temperatura de 80 °C durante 120 min. (4) El producto objetivo se obtuvo después de filtrar, lavar y secar en un horno a 60 °C.

Se empleó un limpiador ultrasónico para obtener una solución acuosa de QBC con una fracción de masa del 0,5 % mediante tratamiento durante 10 h, y luego se agregaron 0,5 g de CF y 0,2 g de agente activado a la solución resultante para obtener suspensiones homodispersas mediante tratamiento adicional durante 1 h. Se filtraron al vacío 60 ml de la suspensión anterior mediante una membrana de nailon (0,45 µm) para obtener películas compuestas de QBC y CF. Finalmente, los evaporadores basados ​​en CFQC se obtuvieron mediante liofilización a -60 °C durante 48 h y pirolización a 800 ℃ bajo atmósfera de nitrógeno durante 1 h.

Los FTIR del QBC se obtuvieron utilizando un espectrofotómetro Bruker FTIR (TENSORII, alemán). Los datos XRD se obtuvieron en un equipo XRD (Bruker, modelo D8 Discover con GADDS, alemán). La sección transversal de las muestras se midió con un SEM Zeiss Sigma 300 (alemán) con ayuda de un recubrimiento de pulverización catódica de oro. La microestructura del QBC se observó mediante un TEM de escaneo de alta resolución (Titan G2 60-300, Estados Unidos). El rendimiento de absorción de luz del evaporador basado en CFQC se evaluó mediante un espectrómetro UV-Vis (Lambda1050, Alemania). Se aplicó un medidor de ángulo de contacto para estimar la capacidad hidrofílica de las muestras. Los contenidos de K+, Na+, Ca2+, Mg2+ y Li+ en agua se probaron utilizando un equipo ICP (Agilent 5110, América). Las concentraciones de azul de metilo contaminado y rojo de metilo se analizaron mediante un espectrofotómetro UV-Vis (UV-2550, Shimadzu, Japón). Las concentraciones de agua contaminada con norfloxacina se midieron utilizando un cromatógrafo líquido de alta resolución (Waters 600, Estados Unidos).

Se empleó una lámpara de xenón PLS-SXE300 (China) para evaluar el rendimiento de evaporación de evaporadores basados ​​en CFQC con la ayuda de un filtro AM 1.5, donde la intensidad de la luz se confirmó mediante un medidor de potencia FZ-A (China) y la pérdida de peso del agua se registró mediante un balanza electrónica conectada a computadora. Para investigar mejor el rendimiento de luz a térmica, se colocó un evaporador basado en CFQC sobre una tela de algodón envuelta en espuma de PS, donde la tela de algodón actuó como una bomba de agua para suministrar suficiente agua a partir del agua a granel. Se utilizaron una cámara infrarroja ST9450 (China) y un termopar UT3208 para seguir las trayectorias de temperatura de las superficies húmedas y secas de los evaporadores y del agua a granel.

Los datos de este manuscrito se pueden obtener del autor correspondiente Xidong Suo.

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Descargar referencias

Los autores desean agradecer el apoyo financiero de: Programa de investigación fundamental de la provincia de Shanxi (201901D211458, 20210302124332), Programas de innovación científica y tecnológica de instituciones de educación superior en Shanxi (2021L448, 2021L460), Universidad de Profesores de Xinzhou (2020KY04). Los autores también agradecen el soporte de pruebas TEM, SEM, XPS e ICP del laboratorio shiyanjia (www.shiyanjia.com).

Departamento de Química, Universidad de Profesores de Xinzhou, 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 y Xiaohang Luo

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JY: Metodología, Conceptualización, Software, Validación, Curación de datos, Escritura: manuscrito original, Escritura: revisión y edición, Adquisición de fondos. XS: Metodología, Validación, Visualización, Investigación, Recursos, Curación de datos, Escritura: revisión y edición, Supervisión, Adquisición de fondos. JZ: Investigación, Curación de datos. JW: Investigación, Curación de datos. RZ: Investigación, Curación de datos. Yu.Z.: Investigación, Curación de datos. Yi.Z.: Investigación, Curación de datos. Sede: Metodología, Investigación, Curación de datos, Adquisición de fondos, Redacción: revisión y edición. XL: Investigación, Curación de datos.

Correspondencia a Xidong Suo o Hongtao Qiao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Yang, J., Suo, X., Zhao, J. et al. Fibra de carbono recubierta por nanoláminas de celulosa de quinua con excelente rendimiento de autolimpieza de sal incrustada y purificación de agua contaminada con compuestos orgánicos y antibióticos. Representante científico 12, 8777 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12889-9

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Recibido: 04 de abril de 2022

Aceptado: 16 de mayo de 2022

Publicado: 24 de mayo de 2022

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

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