碳化稻壳/聚吡咯Janus结构光热蒸发器的制备及抗污染性能

doi:10.7503/cjcu20250019

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (8): 20250019.doi: 10.7503/cjcu20250019

碳化稻壳/聚吡咯Janus结构光热蒸发器的制备及抗污染性能

王镇玉, 方伟(), 赵雷, 陈辉, 王大珩, 何漩, 杜星, 李薇馨

武汉科技大学先进耐火材料全国重点实验室, 武汉 430081

收稿日期:2025-01-17 出版日期:2025-08-10 发布日期:2025-04-30
通讯作者: 方伟 E-mail:fangwei@wust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22105151);国家自然科学基金(52305211);湖北省重点研究计划项目(2022BAA094);湖北省自然科学基金(2024AFB836);湖北省自然科学基金(2023AFB626);武汉市知识创新工程(2022010801010306);绿色化学工程过程教育部重点实验室开放项目(GCP2022003);武汉市青年科技昭阳计划项目(whkx202203);武汉科技大学 “十四五 ”湖北省优势特色学科(群)项目(2023A0305)

Preparation and Anti-pollution Properties of Carbonized Rice Husk/Polypyrrole Janus Solar Evaporator

WANG Zhenyu, FANG Wei(), ZHAO Lei, CHEN Hui, WANG Daheng, HE Xuan, DU Xing, LI Weixin

State Key Laboratory of Advanced Refractories，Wuhan University of Science & Technology，Wuhan 430081，China

Received:2025-01-17 Online:2025-08-10 Published:2025-04-30
Contact: FANG Wei E-mail:fangwei@wust.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22105151);the Key Research Program of Hubei Province, China(2022BAA094);the Natural Science Foundation of Hubei Province, China(2024AFB836);the Knowledge Innovation Project of Wuhan, China(2022010801010306);the Open Project of Key Laboratory of Green Chemical Engineering Process of Ministry of Education, China(GCP2022003);the Youth Science and Technology Zhaoyang Program of Wuhan, China(whkx202203);“The 14th Five Year Plan” Hubei Provincial Advantaged Characteristics Disciplines(groups) Project of Wuhan University of Science and Technology, China(2023A0305)

摘要/Abstract

摘要：

利用太阳能驱动的光热蒸发器进行海水淡化和污水处理是缓解水资源短缺的有效途径之一, 但也存在盐分和污染物在蒸发器中大量沉积的问题, 影响器件的循环蒸发性能. 本文采用聚氨酯复合碳化稻壳粉末制备了具有三维多孔结构的泡沫基体, 进一步在泡沫基体上层修饰疏水性聚吡咯, 构建了上层疏水/下层亲水的不对称润湿性Janus结构光热蒸发器. 研究发现, 该蒸发器在1 kW/m²的太阳光照射下具有1.33 kg·m^‒2·h^‒1的最优盐水蒸发效率和1.29 kg·m^‒2·h^‒1的污水蒸发效率, 且展现出良好的可循环性能.

关键词: 碳化稻壳, 聚吡咯, Janus结构, 光热蒸发器, 抗污染性能

Abstract:

Harvesting clean water from seawater and wastewater based on solar-driven evaporators is emerging as one of the most promising ways to alleviate the shortage of water resources today. However， it also faces a typical defect of massive deposition of salts and pollutants in the functional evaporator， which generally influences the cyclic evaporation performance of the device. To address this problem， in this work a featured foam with a 3D porous structure was first prepared by combining polyurethane foam and carbonized rice husk powders. Then， the hydrophobic polypyrrole was introduced in the upper layer of this foam matrix to construct a Janus solar evaporator with asymmetric wettability while the upper layer shows hydrophobicity and the lower layer allows hydrophilicity. The results indicated the Janus solar evapovator demonstrates a maximum brine evaporation rate of 1.33 kg·m^‒2·h^‒1 and wastewater evaporation rate of 1.29 kg·m^‒2·h^‒1 under solar irradiation of 1 kW/m²， combining with good cycle stability. In addition， the introduction of organic polyurethane networks also endows the Janus evaporator with excellent structural stability， which can be fabricated and tailored to various sizes and shapes for large-scale application.

Key words: Carbonized rice husk, Polypyrrole, Janus structure, Solar-driven evaporator, Anti-pollution property

中图分类号:

0644

TrendMD:

王镇玉, 方伟, 赵雷, 陈辉, 王大珩, 何漩, 杜星, 李薇馨. 碳化稻壳/聚吡咯Janus结构光热蒸发器的制备及抗污染性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(8): 20250019.

WANG Zhenyu, FANG Wei, ZHAO Lei, CHEN Hui, WANG Daheng, HE Xuan, DU Xing, LI Weixin. Preparation and Anti-pollution Properties of Carbonized Rice Husk/Polypyrrole Janus Solar Evaporator. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(8): 20250019.

图/表 11

Fig.1 FTIR(A) and Raman(B) spectra of CR, PPy and CRF@PPy samples

Fig.2 SEM images of CR(A), PPy(B), PU(C), CRF(D), CRF@PPy⁃1 mm(E) and CRF@PPy⁃1 mm(side)(F)

Fig.3 SEM image(A) and EDS element mapping images(B—D) of CRF@PPy⁃1 mm

Fig.4 Nitrogen adsorption⁃desorption isotherms(A), mesoporous distribution curves(B) and micropore distribution curves(C) of PPy, PU and CRF

Fig.5 Photograph of a block of the PU foam, CRF and CRF@PPy⁃1 mm(A), floating on the water(B), Contact angle(C) and heat conductivity(D) of the original PU foam, CRF and CRF@PPy⁃1 mm

Fig.6 Light absorption of pure PU foam, CRF and CRF@PPy(A), temperature curves(B) and infrared temperature photograph(C) of CRF and CRF@PPy⁃1 mm with or without light

Fig.7 Surface temperature changes(A) and corresponding mass changes(B) of CRF and CRF@PPy over time at an optical density of 1 kW/m2

Fig.8 Mass changes and evaporation rate(C) of CRF(A) and CRF@PPy(B) at different concentrations of brine, mass changes and evaporation rate(F) of CRF(D) and CRF@PPy(E) under cyclic evaporation experiments, anti⁃salt deposition properties of CRF and CRF@PPy⁃2 mm(G), anti⁃fouling properties(H) and cyclic evaporation performance(I) in MB solutionOrange column in (C): CRF; cyan column in (C): CRF@PPy-2 mm.

Fig.9 Mass changes of CRF(A) and CRF@PPy⁃2 mm(B) in methylene blue(MB) aqueous solutions with varying concentrations

Fig.10 Photographs of the CRF@PPy under a compressing and releasing(A), contact angle of CRF@PPy⁃2mm in different environments(B) and evaporators of different shapes(C)

Fig.11 Outdoor evaporation unit(A), one⁃day evaporation rate and sunlight intensity of pure water(B) , MB solution(C) and MO solution(D) and purification experiments of MB(E) and MO(F)

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碳化稻壳/聚吡咯Janus结构光热蒸发器的制备及抗污染性能

Preparation and Anti-pollution Properties of Carbonized Rice Husk/Polypyrrole Janus Solar Evaporator

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