水資源短缺正在全世界迅速蔓延,威脅著五大洲的人口,需要全球性的可持續(xù)的解決方案。循環(huán)用水是提供清潔飲用水的最佳生態(tài)方法。近年來(lái),水修復(fù)材料,如石墨烯、碳納米管、活性炭、沸石和金屬納米粒子,已在各種凈水技術(shù)中進(jìn)行了探索。然而,這些材料通常價(jià)格昂貴,并且對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,因此迫切需要尋找低成本、安全和可持續(xù)的具有納米結(jié)構(gòu)的替代品。
近日,暨南大學(xué)劉明賢教授課題組采用液氮輔助定向冷凍技術(shù)制備了一種具有定向通道的可持續(xù)的交聯(lián)甲殼素納米晶支架(XChNCs)。該支架在海水淡化、油水分離和染料吸附上均表現(xiàn)出高效的分離效果。該研究成果以“Chitin nanocrystals scaffold by directional freezing for high-efficiency water purification”為題發(fā)表在Separation and Purification Technology(影響因子9.136,一區(qū)TOP)雜志上。暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院2021級(jí)博士生何韻晴為該論文第一作者,劉明賢教授為唯一通訊作者。
圖1(a)ChNCs支架制備過程示意圖。(b)ChNCs支架定向冷凍和冷凍干燥示意圖。
將商業(yè)墨水涂布在XChNCs支架的表面作為光吸收層(圖3a),該涂層不會(huì)堵塞支架的垂直對(duì)齊通道(圖3b)。表面涂有墨水的XChNCs支架由于在300 nm-1100 nm波長(zhǎng)處對(duì)光具有較強(qiáng)的吸收強(qiáng)度(圖3c),因此具有廣泛的光學(xué)吸收和優(yōu)異的光熱導(dǎo)率。在模擬太陽(yáng)光的氙氣燈照射下,其表面溫度能夠迅速升高(圖3d)。將該支架置于水面上,在沒有氙燈照射的情況下,在支架的上方未觀察到蒸汽柱(圖3f)。相比之下,在模擬1個(gè)太陽(yáng)或10個(gè)太陽(yáng)的氙燈照射下,支架表面均被觀察到連續(xù)的蒸汽逸出,并隨著氙燈的照射強(qiáng)度越高,蒸汽柱越明顯。因此將表面涂布墨水的XChNCs支架作為水蒸發(fā)器材,有利于提高對(duì)水的蒸發(fā)效率(圖3i)。將該支架在穩(wěn)定的光源照射下,重復(fù)進(jìn)行淡化海水試驗(yàn)9次,水蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率均在合理范圍內(nèi)波動(dòng)(圖3I),表明該墨水表面涂布支架在海水淡化應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。
圖3(a,b,c和d)表面涂布墨水的XChNCs支架的表征。(e,f,g,h和i) 采用氙燈模擬太陽(yáng)光照射表面涂布墨水的XChNCs支架的表面進(jìn)行海水淡化試驗(yàn)。(j,k和l)使用激光作為穩(wěn)定光源對(duì)表面涂布墨水的XChNCs支架進(jìn)行淡化海水循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。
圖4(a,b和c)XChNCs支架的潤(rùn)濕行為。(d,e,f,和g)XChNCs支架的油水分離試驗(yàn)。(h,i和j)XChNCs支架的耐腐蝕性。
圖5 XChNCs支架吸附亞甲基藍(lán)(MB)、剛果紅(CR)測(cè)試。
本研究采用液氮輔助定向冷凍法制備了具有排列通道的ChNCs支架。定向通道有利于ChNCs支架快速吸收液體。采用戊二醛作為交聯(lián)劑對(duì)該支架進(jìn)行交聯(lián),以提高支架的耐水性和機(jī)械穩(wěn)定性。該支架在海水淡化、油水分離和染料吸附上均表現(xiàn)出良好的分離效果。除此之外,XChNCs支架具有耐腐蝕性,可在惡劣環(huán)境下有效地分離油水混合物。因此本研究制備了一種可再生、可生物降解和高性能的生物質(zhì)支架,在水凈化方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123177
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