聚苯胺涂层棕榈纤维残渣的三维结构优化：作为光热蒸发器用于提高界面太阳能蒸汽生成效率

棕榈纤维涂层太阳能蒸发器高效制水研究。摘要：利用棕榈树纤维（PTFRs）涂覆聚苯胺（PANI）开发新型界面太阳能蒸汽发生器（ISSG），通过2D和3D结构优化，3D倒伞形结构实现2.49 kg/m²·h蒸发通量，效率达102.7%。

Sohyla Aziz|Amr Awad Ibrahim|Ahmed S. Abdelhamied|Awad Ibrahim Ahmed|El-Metwally M. Selim|Doaa A. Kospa

埃及达米埃塔大学农业学院土壤与水资源系

摘要

淡水资源的持续短缺，加上气候变化、人口增长以及水管理不善，促使人们开发了海水淡化技术。界面太阳能蒸汽生成（ISSG）是一种有前景的方法；然而，传统系统往往受到光热转换效率低下和热量损失严重的限制。本研究开发了一种基于生物材料的ISSG系统，使用涂有聚苯胺（PANI）的棕榈树纤维残渣（PTFRs）作为光热蒸发器。PTFRs具有高孔隙率、有效的隔热性能和可持续的水传输能力，而PANI涂层则增强了宽频段的太阳光吸收。为了提高蒸发性能，设计并评估了二维（2D）和多维三维（3D）蒸发器结构，以确定最有效的结构。未经改性的2D PTFRs的蒸发通量为0.78 kg m⁻² h⁻¹，光热效率为33.2%；经过PANI涂层处理后，蒸发通量提高到了1.12 kg m⁻² h⁻¹。通过多次内部散射和光捕获，3D结构显著增强了蒸发界面的热量集中效果，减少了热量损失。在其他条件相同的情况下，优化的3D蒸发器在单太阳照射下的蒸发通量为2.49 kg m⁻² h⁻¹

引言

过去几十年里，由于气候变化、长期干旱、人口激增和低效的水资源管理，全球淡水资源日益稀缺[1]，[2]，许多地区经历了严重的水资源短缺[1]，[2]。全球97.5%的水是咸水，仅有2.5%是淡水。鉴于饮用水的稀缺性，开发和实施获取淡水的技术和方法至关重要[3]。因此，大量研究和开发集中在废水处理和再利用以及海水淡化技术上，以提供可持续的淡水供应，满足未来的需求[4]，[5]。目前的海水淡化技术大致可分为三类：(i) 通过蒸发和冷凝分离盐分的热驱动过程；(ii) 使用压力将咸水通过半透膜的膜系统（如反渗透）；(iii) 依赖温度依赖性反应的化学驱动过程[6]，[7]。随着技术的发展，海水淡化在解决全球水资源安全问题中的作用日益明显。

太阳能为生产淡水提供了最佳机会，因为它是一种清洁、廉价且可再生的能源，可以通过多种机制进行利用，包括光伏、光催化和太阳能热转换[2]，[8]，[9]。当成本可行时，基于太阳能的海水淡化方法因其整体效率而成为获取淡水最有前景的方法之一。然而，尽管太阳能淡化技术取得了显著进展，传统系统仍因光热转换效率低下而存在大量能量损失[10]，[11]。纳米材料的发展带来了重要的分子进步，例如碳基纳米结构[12]，[13]、等离子体吸收剂[14]、导电聚合物[15]和混合能量组装材料，这些材料可以改变光热能量转换参数[16]。为了实现最佳的光热蒸发效率，光热材料必须具备有效的宽频段光吸收特性和可变的孔隙率[17]，[18]。近期研究致力于最大化太阳能利用率，并有效利用这种能量，包括对碳基材料（如活性炭[19]，[20]，[21]，[22]、石墨[23]，[24]、功能化木质海绵[25]，[26]，[27]和碳化有机聚合物[28]，[29]）的研究。此外，聚吡咯（PPy）[30]，[31]，[32]和聚苯胺（PANI）[33]，[34]，[35]等有机聚合物具有很强的光捕获能力。这些材料因其有效的水传输能力而被选中[36]。然而，典型的2D蒸发器在1太阳光照（1 kW m⁻²）下的蒸发通量约为1.47 kg m⁻² h⁻¹，这接近理论最大值。

为了提高蒸发性能，设计了3D结构，以提供比平面设计更大的有效蒸发面积。在垂直太阳照射下，大部分入射光被蒸发器顶部表面吸收，而侧面表面接收的直接光照有限。在蒸发过程中，蒸发冷却可能会使侧面表面的温度低于环境温度，从而从周围环境中吸收更多热量[37]，[38]，[39]。这种环境能量输入可以进一步提高三维蒸发器的整体蒸发性能[40]。此外，多散射效应通过反复的内部反射捕获入射阳光，延长了光路径长度，最大化了光子吸收[40]，[41]。这种现象不仅减少了辐射和对流损失，还显著提高了整体光热转换效率，使其特别适合高性能的海水淡化系统[41]。增加有效蒸发面积也能显著提高蒸发性能[42]，[43]。然而，由于制造限制，大多数报道的几何形状较为简单，如立方体或圆柱体[36]。为了提高水传输效率，可以通过采用更复杂的几何设计来进一步优化几何结构。

由于棕榈树纤维含量高，本研究重点关注棕榈树茎部残渣，这种残渣可以作为纤维网状结构，起到天然过滤作用。这种复杂的结构由围绕茎部的叶鞘自然降解形成的密集纤维束组成，形成了具有不同大小和密度的交错层状纤维[44]，[45]。纤维网具有重要的保护作用，能够覆盖老化的叶柄，由于其低导热性、多孔微观结构和由纤维素和木质素组成的成分，使其能够抵御环境挑战[46]，[47]。先前的研究指出，当这些天然纤维以水平排列时，它们对微生物降解的抵抗力更强，这突显了它们在保持结构完整性方面的作用[48]。总体而言，纤维网的多功能特性与其他基于生物的纤维材料的研究结果一致，这些材料在适应环境变化的同时保持了结构稳定性[49]，[50]。选择棕榈树纤维是因为其固有的孔隙率、强大的毛细驱动水传输能力以及可持续、低成本的特点，这些特点共同支持了界面太阳能蒸汽生成（ISSG）设备中的高效和可持续水传输。此外，其轻质、隔热纤维网络可以制成三维形状，并通过光热涂层进行改性，从而提高光吸收、热量捕获和整体蒸发性能。

为了提高棕榈树纤维残渣片（PTFRs）的光热性能，结合了高导电性的聚苯胺（PANI），因为它具有优异的性能，包括强粘附性、出色的环境稳定性和高效的光热转换效率[51]，[52]，[53]。PANI能够吸收和转换太阳能为热能，使其成为先进光热应用的有希望的候选材料[54]。其在功能工程材料中的应用得到了广泛应用，特别是在传感器、储能系统和环境修复技术中，得益于其简单的合成工艺、可调的电导率和结构适应性[55]。根据最新研究，基于PANI的复合材料表现出增强的光吸收和热稳定性，使其成为可持续的能量收集应用[56]。

本文中，通过将椰枣棕榈纤维与PANI封装制备了一种三维光热蒸发器。选择椰枣棕榈纤维作为基底，是因为其出色的机械柔韧性和可塑性，而PANI则因其宽频段太阳光吸收和高化学稳定性而作为光热转换材料。这两种材料的结合促进了ISSG系统的发展，从而提高了太阳能驱动的水蒸发效率。未经改性的2D PTFRs的蒸发通量为0.78 kg m⁻² h^{−1−2 h−1−2 h−1，转换效率为102.7%，这归功于其增强的多级光吸收和优越的光热响应。}

材料与试剂

椰枣棕榈纤维片（Phoenix dactylifera L.）取自尼罗河三角洲的土壤。硫酸铵（APS）、苯胺、氯化锌（ZnCl₂）、氯化钾（KCl）、硫酸镁（MgSO₄.7H₂O）、醋酸铅（Pb(CH₃COO)₂）、氯化镉（CdCl₂）、氯化铜（CuCl₂）、氯化钙（CaCl₂）、氯化钠（NaCl）、亚甲蓝（MB）、甲基橙（MO）和罗丹明B（RhB）来自Loba Chemie公司。

2D PANI@PTFRs膜的制备

如图1所示，经过太阳干燥的棕榈树纤维残渣片

样品表征

使用红外（FT-IR）光谱研究了原始PTFRs、PANI和PTFRs@PANI的功能基团。图2a显示了700–3600 cm⁻¹波数范围内的FT-IR光谱。3460–3328 cm⁻¹之间的宽频带对应于纤维素、半纤维素和木质素中的O-H伸缩振动。在纤维素/半纤维素中，3100 cm⁻¹和2919 cm⁻¹处的振动带分别表示不对称和对称的CH₂伸缩振动。

结论

本研究开发了一种高性能的ISSG装置，该装置使用由椰枣棕榈纤维残渣（PTFRs）制成，并涂有聚苯胺（PANI）。PTFRs的自然纤维网结构提供了出色的隔热性能和孔隙率，而PANI增强了宽频段的太阳光吸收。未经改性的2D PTFRs的蒸发通量为0.78 kg m⁻² h⁻¹

CRediT作者贡献声明

Sohyla Aziz：撰写——原始草稿、资源准备、方法论、实验设计、数据分析。Amr Awad Ibrahim：撰写——原始草稿、软件开发、资源管理、方法论、数据分析、数据管理。Ahmed S. Abdelhamied：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法论、资金获取、数据分析。Awad Ibrahim Ahmed：软件开发、资源管理、方法论、资金获取、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。