南京大学朱嘉教授课题组碳泡沫水处理技术：蒸发速率可达10 kg m- 2 h -1

过去十几年，清洁水的大量使用和生态系统的严重污染，使人类面临着前所未有的水危机问题。由于水和能源是现在面临的两个危机人们希望可以开发出具有最小的碳排放的先进水处理技术。在各种水处理技术中，人们都在大力利用可再能源（例如太阳能）直接蒸发水。

对常规多孔蒸发器中蒸发过程的仔细观察表明，蒸发速率其实是由两个前后步骤（相变和扩散）决定的。在第一步的相变中，水分子从液体水表面蒸发成为水蒸气，在第二步的扩散步骤中，水蒸气从多孔结构扩散到大气环境中。先前的大所述研究都集中在增加蒸发面积以使第一步的相变最大化。但是，其实在传统的蒸发器设计中，由于扩散不足，大量水蒸气滞留在孔内（图1A），水蒸气扩散到大气环境中一直是蒸发量的限制步骤。

图1.传统蒸发器和3D互连多孔蒸发器中的水蒸发示意图

（A）传统蒸发器中的蒸发示意图，受限于封闭孔中蒸气的弱扩散。由蒸发表面产生的蒸气停滞在封闭的孔中，导致无效的扩散和蒸发。

（B）相互连通的孔可以有效蒸发的示意图。相互连接的多孔结构允许蒸气以对流有效扩散。

（C）示意图显示了用于实现高蒸发速率的3D互连多孔蒸发器的设计概念。它的3D结构提供了足够的蒸发表面，可有效蒸发，具有出色的亲水性（可用于供水）和对太阳光的高吸收。

（D）相互连接的多孔结构的微观图像，保证了自然对流流动下有效的蒸汽扩散。

南京大学朱嘉教授课题组证明了具有三维互连多孔结构的碳泡沫能够使对流中的蒸汽充分扩散，因此蒸发速率高达10.9 kg m -2 h -1，并且室外13h的累积蒸发量为42.0 kg m -2 。由于获得了如此高的蒸发率以及高通量，全天候且环保，该蒸发废水处理技术应用前景广阔。

因此，除了光学、热管理和供水方面的一般考虑外，还必须仔细调整多孔结构以实现有效的相变和蒸汽扩散(图1B)。对蒸发器的设计有一些关键要求（ 图1C）。首先，它应该具有多孔结构以提供足够的蒸发表面。这种多孔结构应具有出色的亲水性，以确保及时供水。最重要的是，结构中的所有孔必须相互连接，以确保有效的蒸汽扩散和自然对流（图1D）。最后，由于要在蒸发的表面积和有效扩散的空间之间取得平衡，因此需要优化孔径。

蒸发器的制备

蒸发器的这种设计是通过独特的气体辅助膨胀和穿孔工艺实现的。如图2A所示，蔗糖在圆柱石英模具中与浓硫酸反应。在该步骤中，蔗糖被浓硫酸脱水而成为具有高的日光吸收性和优异的亲水性的碳材料（C6H12O6 / 6C + 6H2O）。随后，一部分碳材料与浓硫酸反应并生成气体混合物（C + 2H2SO4 / CO2 [+ 4SO2 [+ 2H2O）），从而产生巨大的体积膨胀（高达700％）和三维（3D）结构 。同时，由于内部产生的气体总是倾向于逸出到周围环境，因此它会穿透结构并确保先生从内部到环境相互连接的多孔结构。结果，制造了三维互连的多孔碳泡沫（3D IPCF）。

图2. 3D IPCF的制造和表征

（A）3D IPCF的制造过程。蔗糖由浓硫酸碳化，然后进行独特的气体辅助膨胀和穿孔。

（B）3D IPCF的照片。比例尺，1厘米。

（C）3D IPCF的光学显微照片。这些相互连接的孔的尺寸范围从几十微米到几毫米。

（D）PM2.5能够随时间通过3D IPCF。这表明3D IPCF的孔相互连接，以使对流与空气分子通过。

（E）3D IPCF的XPS光谱表明，它是由碳，氧和硫制成的。

（F）3D IPCF的水接触角，表明它具有超强的亲水性，因为水滴迅速渗入其中。

（G）3D IPCF的光吸收光谱和太阳辐射的光谱。

文献链接（DOI）：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.02.014