法特梅·巴哈埃丁 | 萨利姆·阿尔扎赫米 | 阿米拉·F·穆罕默德
阿联酋大学工程学院化学与石油工程系，阿莱因，阿联酋
**摘要**
随着对海水淡化生产淡水依赖程度的增加，产生的废盐量也显著上升，由于其高盐度和温度，这引发了严重的环境问题。将这些废盐排放到海洋环境中会破坏渗透平衡，导致细胞脱水和生态破坏。传统的处理方法，包括深井注入、蒸发池和污水排放，不仅成本高昂，而且在环境上也不可持续。与此同时，由于碳纤维增强塑料（CFRP）具有优异的强度重量比、耐腐蚀性和热稳定性，其全球需求迅速增长，从而产生了大量的不可生物降解的碳纤维废弃物。本研究提出了一种创新方法，同时解决了废盐管理、碳纤维废弃物利用和二氧化碳捕获的问题。通过热解回收废碳纤维，然后利用碱性和酸性处理进行机械和化学活化，以增强其表面积和吸附性能。处理后的纤维被应用于含有盐-空气混合物的气泡反应器中，实现了高效的盐分吸附和回收。机械低温研磨增加了纤维表面粗糙度并提高了吸附能力，而化学处理则引入了新的功能基团，增强了离子亲和力。根据处理前后纤维质量的变化，盐分回收效率最高可达92.9%（对于NaOH处理的纤维），最低为36.4%（对于未经处理的样本）。总体而言，该工艺为有效利用废碳纤维进行盐处理和二氧化碳封存提供了一种有前景且可持续的途径。
**1. 引言**
**1.1 废盐水**
近年来，水资源短缺已成为全球最严重的挑战之一，主要原因是世界人口快速增长。尽管地球表面70%以上被水覆盖，但并非所有水都可以供人类直接使用，大部分水在饮用前需要经过处理和净化[1]。因此，人们引入了海水淡化技术来降低海水盐度，使其适合人类饮用[2]。然而，在淡化过程中会产生盐度超过55,000毫克/升的废盐水[3]。将废盐水排放到海中会损害海洋生态系统，可能导致水生生物死亡。表1显示，2019年全球废盐产量达到1.415亿立方米/天，是淡化水产量的50%；其中70.3%来自北非和中东国家，沙特阿拉伯、阿联酋、科威特和卡塔尔占这一总量的54.8%[4]。由于中东地区的淡化厂淡水回收率较低，因此产生的废盐量很大。
**表1. 2019年全球通过海水淡化过程产生的废盐量（百万立方米/天）**
| 地区 | 产量 | 百分比 |
|-------------|-----------|---------|
| 中东和北非 | 99.4 | 70.3 |
| 东亚和太平洋 | 14.9 | 10.5 |
| 北美 | 5.6 | 3.9 |
| 西欧 | 8.4 | 5.9 |
| 拉丁美洲和加勒比 | 5.6 | 3.9 |
| 南亚 | 3.7 | 2.6 |
| 东欧和中亚 | 2.5 | 1.8 |
| 撒哈拉以南非洲 | 1.5 | 1.0 |
除了高盐度外，废盐中还可能含有其他在淡化过程中使用的化学物质，如次氯酸钠（NaOCl），用于防止生物生长；六偏磷酸钠（NaPO3）用于防止膜管结垢；氯化铁（FeCl3）和氯化铝（AlCl3）作为絮凝剂去除悬浮物；硫酸（H2SO4）和盐酸（HCl）用于调节海水pH值[5]。这些化学物质改变了废盐的成分、盐度、温度和碱度[5]。废盐的盐度是海水的1.6至2倍，降低了水中的氧气溶解度，从而产生渗透压力[6,7]。一些海洋物种（如棘皮动物）对盐度变化非常敏感，无法调节体内渗透压，轻微的盐度变化就会导致细胞脱水[8]。此外，高盐度还会因氧气溶解度降低而在海水中形成死亡区，迫使依赖氧气生存的海洋生物迁移到其他海域[9]。反渗透淡化厂产生的废盐水温度和密度都高于海水，会导致盐分扩散到海底，危害底栖生物。珊瑚礁对周围温度变化非常敏感，轻微的温度变化就会导致珊瑚白化，珊瑚会排出所需的共生藻类，可能导致珊瑚死亡[10]。多年来，人们采用了多种方法处理废盐水，包括直接排放、排入污水处理厂、深井注入和蒸发池。最适合的方法取决于废盐的质量、数量和成分以及排放地点的地理位置[11]。直接排放到地表水中会导致严重的环境后果，因为过高的盐分浓度会损害海洋生态系统[12]。通过将废盐水与处理过的废水混合后再排放到海中，可以降低其对生态系统的影响[13]，但过高的盐分浓度仍可能对处理设施造成长期损害[14]。深井注入技术将废盐水注入地下层，防止其污染地下水[12]，这种方法对环境的影响最小，但成本较高，需要建设复杂的基础设施并持续监测以防泄漏[15]。蒸发池利用自然太阳能使废盐水蒸发，留下盐分和杂质，适用于半干旱地区[16]，但需要高蒸发率且气候干燥[17]。
**1.2 二氧化碳捕获**
全球变暖是现代工业国家面临的最重要的环境问题之一[18]。全球变暖的主要原因是温室气体的排放。尽管二氧化碳仅占大气层的0.04%，但其作为温室气体的作用使其成为全球变暖和气候变化的主要因素[19]。全球平均温度上升与大气中二氧化碳浓度升高之间存在因果关系。二氧化碳排放来源于多种途径，主要是发电厂、工厂、家庭和车辆燃烧化石燃料[20]。一种有前景的二氧化碳捕获方法是将其吸收到反应性溶剂中，这种方法成本效益高，能够处理大量废气[21]。有效的反应性溶剂应具备高传质性能、高吸附能力、快速反应动力学、低降解率和低再生能耗[22]。由于化石燃料发电厂占全球二氧化碳排放量的40%以上，从这些来源捕获二氧化碳是减少温室气体排放的一种途径。目前主要有四种技术：燃烧前捕获、燃烧后捕获、氧燃料燃烧和化学循环燃烧[23]。这些技术存在限制，阻碍了其广泛应用[23]。燃烧后捕获技术已在新的化石燃料发电厂中得到应用，分为物理、化学和生物三类：物理方法包括物理吸附、低温冷凝和膜分离技术；化学方法包括化学吸附、吸收和循环燃烧[24]；生物方法则利用陆地植被和海洋或淡水中的微藻进行固定。
**1.3 碳纤维增强聚合物**
许多研究人员和行业对碳纤维产生了兴趣，因为它们具有优异的机械和化学性能。碳纤维具有高强度、良好的振动阻尼性能以及先进的应力应变行为，能够吸收振动能量并将其转化为热能，防止振动传递[25]。此外，其应力应变性能使其能够承受外力并避免变形[25]。在化学和物理性质方面，碳纤维密度低，对酸、碱和有机溶剂具有高耐受性，适用于恶劣的化学环境；同时具有高耐腐蚀性，可在接触盐分和湿气时不会损坏表面[26]。碳纤维的需求从2018年的32.8千吨增加到2024年的160千吨，广泛应用于航空航天、汽车、风力涡轮叶片、压力容器、海洋工程和建筑等领域[27]。尽管如此，由于其不可生物降解性，碳纤维仍带来环境挑战，因此需要开发有效的安全处理方法，并延长其使用寿命，以防止长期环境恶化[28]。碳纤维的三种主要回收方法是机械回收、热回收和化学回收：机械回收通过粉碎或破碎纤维实现；热回收通过热解或流化床分解有机分子；化学回收利用催化溶液、苯甲醇和超临界流体在低温下处理[29]。
**结论**
本研究提出的创新方法结合了废盐管理、碳纤维废弃物利用和二氧化碳捕获，为碳纤维的可持续利用提供了新的途径。该方法不仅回收了碳纤维，还减少了环境污染，同时延长了其使用寿命，有助于实现碳纤维的负责任使用。这个过程导致聚合物树脂分解成较大的寡聚物，从而可以回收惰性碳纤维。通过这一过程获得的回收碳纤维的机械性能可以高达原始碳纤维的90%。然而，这种方法的主要挑战是试剂成本高以及会产生大量有害气体[33]。本研究提出了一种新的方法，通过利用盐水淡化中的碳纤维废料和二氧化碳捕获来应对三个不同的环境挑战。该方法侧重于通过化学处理提高热回收碳纤维的吸附率，然后将其用于盐水处理和二氧化碳捕获。这种应用不仅最大化了碳纤维的利用率，还为工业废物管理和减轻环境污染提供了一种可持续的方法。
2. 材料与方法
2.1. 材料和设备
本研究中使用的溶剂和试剂包括氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钾（KOH）、盐酸（HCl）和磷酸（H3PO4），均来自阿联酋的Scientific Progress Medical and Scientific Equipment Company。为了模拟工业环境和炼油厂中常见的废气成分，使用了一种由10%二氧化碳和90%空气组成的气体混合物。这种气体混合物来自阿联酋的Abu Dhabi Oxygen Company。此外，还使用了直接从阿联酋Abu Dhabi的多级闪蒸淡化装置中获取的盐水样品进行分析。纤维样品来自符合Cy-com®977-2-35/40-12KHTS-268标准的STRATA工业。这些聚合物的树脂浓度为35-40%，固化等级为180，纤维面积重量为268克/平方米。
实验方法包括使用管式炉通过热解回收碳纤维废料。为了增加回收纤维的表面积，需要将纤维破碎成小颗粒，因此使用了液氮冷冻研磨机。液氮也购自阿联酋的Abu Dhabi Oxygen Company。其他实验室设备还包括用于测量处理前后碳纤维重量的称重天平。在化学处理过程中使用加热板保持95°C的温度，并在化学处理和盐水处理后使用干燥箱干燥纤维。
2.2. 分析技术
对每个实验步骤中收集的碳纤维进行了以下分析：
- 扫描电子显微镜（SEM）：扫描电子显微镜技术用于分析纤维的表面形态和纹理。样品首先涂覆300 Å的金层，然后在三个不同的位置进行测试。随后对每个样品进行能量分散X射线光谱（EDS）分析，以确定纤维表面的化学元素。
- X射线衍射仪（XRD）：使用Cu Kα辐射（λ = 1.54 Å）的X射线衍射仪检查纤维样品的结构特征。衍射图是在管电流30 mA和靶电压40 kV的条件下获得的。为了覆盖所有相关的衍射峰，2θ值的扫描范围选择为5°至70°（2θ）分钟⁻¹，扫描速度为2°（2θ）分钟⁻¹。根据该材料纯态下三个最强峰的理论强度，识别出收集固体的XRD衍射峰。
- 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR分析用于确定收集纤维中存在的官能团。使用Shimadzu公司的IRTrace-100 FTIR光谱仪进行这项分析。光谱结果在500至4000厘米⁻¹的波长范围内报告，采用4厘米⁻¹的光谱分辨率和34次扫描以提高数据的准确性和可靠性。
3. 实验方法
使用回收碳纤维进行盐水处理的实验方法将遵循基于实验室的设计。如图1所示，研究方法包括四个主要步骤：首先，通过热处理回收碳纤维的物理和化学性质；然后进行机械处理，将回收的纤维研磨以优化其表面积；接着进行化学处理，以改变和增强纤维的表面粗糙度和吸附率。最终，处理后的碳纤维将用于盐水淡化和二氧化碳捕获，提供了一种注重废物管理和水处理的可持续方法。
3.1. 热处理：回收碳纤维废料
采用热解过程回收碳纤维增强塑料废料。首先，将3克碳纤维废料切成小而薄的片状，这是实现热解过程一致性和可控性的关键步骤。然后准确称量切碎的碳纤维，以确保分析的精确性。将切碎的碳纤维放入陶瓷坩埚中，在设定为500°C的管式炉中加热90分钟。前60分钟温度从室温19°C逐渐升高到500°C，之后在500°C下保持30分钟[34]。热解后，让管式炉冷却4到5小时。冷却后，用蒸馏水清洗回收的纤维，以确保去除任何残留物。图2显示了通过热解回收碳纤维废料的过程流程图。
3.2. 机械处理：研磨回收碳纤维
冷冻研磨使用液氮等制冷剂将纤维冷却到-105°C以下，使纤维变得更脆，从而加快研磨速度[35]。在此阶段，回收的碳纤维（r-CF）浸入液氮中5分钟，然后使用转速为6000转/分钟的冷冻研磨机研磨15分钟，得到细磨的纤维，如图3所示。
3.3. 化学处理：研磨纤维的表面改性
将研磨后的纤维（g-CF）浸入3M化学溶液中，在95°C下连续加热和搅拌5小时，如图4所示。这一步确保了纤维与化学溶液之间的充分相互作用，促进了化学激活和表面改性。处理后，用蒸馏水清洗纤维，并在50°C的烤箱中过夜干燥，以去除纤维表面的多余化学物质。使用了四种化学试剂：两种强碱性试剂氢氧化钠（NaOH）和氢氧化钾（KOH），以及两种强酸性试剂盐酸（HCl）和磷酸（H3PO4）。这些处理旨在研究这些试剂对纤维表面的影响及其在盐水处理中的性能。处理后的样品分别标记为CF-Na、CF-K、CF-Cl和CF-P，对应于分别用NaOH、KOH、HCl和H3PO4处理的碳纤维。
3.4. 盐水处理和二氧化碳捕获
盐水处理在一个气泡柱反应器中进行，以优化处理纤维、废水和二氧化碳气体之间的接触，从而提高整体处理效率。首先，将化学处理的碳纤维与废水按1:10的比例放入反应器中，其中3克化学处理的纤维用于处理30毫升的盐水。然后将系统连接到混合空气气体上，气体以中等速率流经反应器两小时。如图5所示，反应器的下部连接到带有开放阀的气瓶上，允许二氧化碳气体以200-400毫升/分钟的中等流速通过反应器，反应器顶部有排放通道用于释放处理后的气体。实验结束后，使用真空过滤系统将处理后的纤维与盐水分离，然后在80°C下过夜干燥。最后，使用称重天平测量干燥纤维的重量，以计算盐的回收量。
4. 结果与讨论
4.1. 热处理对碳纤维废料的影响
使用扫描电子显微镜检查了热处理前后碳纤维的结构和外部形态。图6展示了热解后碳纤维废料和回收碳纤维的SEM图像分析结果。结果显示收集纤维的表面结构发生了显著变化。图6（a）显示了热解前的碳纤维增强废料的SEM图像，其表面结构粗糙且有许多裂纹和缺陷。而图6（b）显示了回收碳纤维的表面形态，表面光滑干净。这种纤维表面的改善清楚地表明了热解过程的效率。纤维废料表面的所有聚合物残留物都被降解，得到了表面透明的回收碳纤维[32]。结果证实了纤维物理性质的变化，由于纤维中的环氧树脂和树脂，碳纤维增强塑料废料表现出强度、刚性和硬度。然而，经过500°C高温处理90分钟后，纤维变得更加柔韧。此外，热解前后纤维的重量显著减少，表明大部分碳纤维增强塑料废料由环氧树脂组成。
4.2. 盐水处理的参数研究
4.2.1. 盐分回收计算
本研究关注回收碳纤维表面吸附的盐分量。因此，在盐水处理前后精确测量了回收碳纤维的重量。盐分回收量使用公式（1）计算：
(1) Salt recovery% = (mass of CF after treatment − mass of CF before treatment) / (Brine TDS) × (Brine Volume) × 1000 × 10
其中，盐水每升含有75,000毫克的总溶解盐（TDS）。
盐分回收百分比是根据处理后碳纤维的质量增加相对于处理前盐水中总溶解盐量的增加来计算的。回收盐的质量是从处理前后CF重量之差得出的。盐水的总初始盐含量是通过盐水TDS浓度（75,000毫克/升）和每次实验使用的盐水体积计算得出的。应用单位转换因子将毫克转换为克，以保持计算的一致性。因此，回收百分比表示沉积在碳纤维表面的总溶解盐的比例。
表2总结了整个研究过程中计算的盐分回收情况。回收百分比决定了每个处理步骤的有效性。经过盐水处理后，未经研磨的回收碳纤维回收了36.4%的盐分（0.8193克）。将纤维放入低温研磨机中增加其表面积后，盐分回收率提高到了约70.7%，纤维表面回收了1.59克盐。此外，化学改性的碳纤维在盐分回收方面表现更佳。如表2所示，碱性处理后的碳纤维盐分回收率高于酸性处理后的碳纤维；用NaOH处理的碳纤维盐分回收率为92%，这是本研究中的最佳回收率。而用KOH处理的碳纤维盐分回收率为87.6%，用H3PO4处理的碳纤维盐分回收率为71%，用HCl处理的碳纤维盐分回收率为67%。这些发现表明，碱性处理对纤维表面的改性强于酸性处理。这表明由于碱性处理过程中使用的二氧化碳气体性质，碱性处理在盐分回收方面更有效，促进了盐分在碳纤维表面的吸附。因此，对于回收碳纤维而言，使用碱性处理进行表面改性能显著提高盐分回收率。
表2. 盐分回收计算。
为了确定最佳的盐水与碳纤维比例以获得最高的盐分回收率，将回收碳纤维的重量固定为3克，并改变盐水的体积，从30毫升到90毫升。表3显示了不同盐水体积下碳纤维表面盐分的回收率。虽然随着盐水体积的增加，回收的盐分重量增加，但回收率却降低了。盐水体积分别为30毫升、60毫升和90毫升时，回收的盐分重量分别为0.8193克、1.0967克和1.3121克；然而，相应的回收效率却随之下降。这种行为归因于较大盐水体积中含有更多的总溶解固体（TDS），导致回收的质量占可用盐分的比例减小。尽管所有样品的盐浓度相同，但盐水体积越大，碳纤维与盐分之间的相互作用效率越低，从而导致回收率降低。最高回收率为30毫升盐水样品（试验1）的36.4%，最低为90毫升盐水样品（试验3）的19.5%。
为了研究盐水与碳纤维比例对盐分回收的影响，将回收碳纤维的重量固定为3克，同时改变盐水的体积。表3显示了不同盐水体积下碳纤维表面盐分的回收率。尽管随着盐水体积的增加，回收的盐分重量增加，但回收率却降低了。盐水体积分别为30毫升、60毫升和90毫升时，回收的盐分重量分别为0.8193克、1.0967克和1.3121克；然而，相应的回收效率却随之下降。这种行为归因于较大盐水体积中含有更多的总溶解固体（TDS），导致回收的质量占可用盐分的比例减小。最高回收率为30毫升盐水样品（试验1）的36.4%，最低为90毫升盐水样品（试验3）的19.5%。
进行了扫描电子显微镜（SEM）分析以研究回收碳纤维表面的盐分。图9（a-c）分别展示了用30毫升、60毫升和90毫升盐水处理后的碳纤维图像。结果显示，纤维表面附着了大量盐分，包括多晶文石（CaCO3）等球形晶体。如图所示，碳酸氢钠呈现长条状，颗粒尺寸大于碳酸钙[38]。对回收碳纤维进行EDS分析后确认存在钠、镁、钙、钾和氯等多种盐类离子，证实了盐分通过化学沉淀与碳纤维的相互作用。值得注意的是，处理后的样品碳含量显著增加，证实了二氧化碳通过碳酸盐和碳酸氢盐在碳纤维外表面捕获的有效性。与保持碳纤维重量不变而增加排弃盐水量相比，使用碱性处理进行表面改性的碳纤维在盐分回收方面有更显著的改进。
图9. 用3克碳纤维处理30毫升、60毫升和90毫升盐水后的SEM分析图像。
对纤维表面回收的盐分进行了X射线衍射（XRD）分析。尽管实验中碳纤维与盐水的比例不同，但在所有试验中都观察到了氯化钠峰（Khan等人，2021年）。然而，随着处理过程中盐水体积的增加，2θ角度为45°和56°的峰强度显著降低，表明纤维表面的盐分含量减少。
图10. 用不同碳纤维与盐水比例处理后的碳纤维表面盐分的FTIR分析结果。光谱显示碳纤维表面主要附着有两种官能团：一种是羟基，在3850、3748和3624厘米^-1波长处观察到；另一种是碳酸基，在1707和1525厘米^-1波长处检测到。尽管所有比例下的峰都出现在相同波长，但官能团的浓度和吸附量随比例变化而变化。结果表明，在碳纤维重量不变的情况下，随着盐水体积的增加，碳酸基浓度降低。最终，分析结果与每个实验试验的计算回收率一致，其中用30毫升盐水处理3克碳纤维时回收率最高。
图11. 用不同碳纤维与盐水比例处理后的碳纤维表面盐分的FTIR分析结果。
图12. 不同反应时间下回收碳纤维表面的SEM分析结果。2小时处理后的纤维表面呈现出不规则、立方体状、块状晶体、锋利边缘和平坦的表面。这些盐分的结构与氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3）相同。因此，使用EDS分析确认了纤维表面形成的盐类的元素组成。图12（b）显示纤维表面吸附的盐分具有微小的晶体结构。图12（c）展示了两种不同结构的盐分：一种是小立方晶体，另一种是颗粒状、致密且结构清晰的管状结构，分别类似于氯化钠（NaCl）和碳酸氢钠（NaHCO3）[43]。
图13. 用不同碳纤维与盐水比例处理后的碳纤维表面盐分的XRD分析结果。尽管实验中碳纤维与盐水的比例不同，但在所有试验中都观察到了氯化钠峰。然而，随着处理过程中盐水体积的增加，2θ角度为45°和56°的峰强度显著降低。
图14. 不同处理时间下回收碳纤维表面的FTIR分析结果。光谱显示碳纤维表面主要附着两种官能团：羟基在3850、3748和3624厘米^-1波长处；碳酸基在1664和1539厘米^-1波长处。尽管所有比例下的峰都出现在相同波长，但官能团的浓度和吸附量随比例变化而变化。结果表明，在碳纤维重量不变的情况下，随着盐水体积的增加，碳酸基浓度降低。
图15. 不同处理时间下回收碳纤维表面的FTIR分析结果。随着处理时间的延长，碳纤维表面盐分的回收率显著降低。2小时处理时的回收率最高，为36.4%。然而，3小时处理时盐分回收率降低了44%，4小时处理时降低了64%。
图16. 不同反应时间下回收碳纤维表面的SEM分析结果。2小时处理后的纤维表面呈现出不规则、立方体状、块状晶体和平坦的表面。这些盐分的结构与氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3）相同。因此，使用EDS分析确认了纤维表面形成的盐类的元素组成。
图17. 三小时处理后的纤维表面EDS分析结果。测量结果显示，纤维表面含有78.54%的碳、14.20%的氧、1.22%的钠、1.36%的镁、3.57%的氯和1.11%的钾，证实了KCl、NaCl和Mg(OH)2在碳纤维表面的吸附。三小时处理后的纤维表面含有82.53%的碳、6.23%的钠和11.24%的氯，证实了NaCl在碳纤维表面的吸附。
图18. 四小时处理后的纤维表面FTIR分析结果。光谱显示碳纤维表面主要附着四种成分：羟基在3358、3743和3851厘米^-1波长处；碳酸基在1664和1539厘米^-1波长处。三小时处理后的纤维表面还含有NaHCO3。
图19. 不同反应时间下碳纤维表面盐分的XRD分析结果。2小时处理时，研究显示五个峰，与常见的盐类（如氯化钠和氯化钾）一致。随着反应时间延长至3小时和4小时，强峰数量显著减少，表明盐分回收率降低。未经研磨的回收碳纤维在用30毫升盐水处理后，回收了36.4%的盐分（0.8193克）。表5总结了本节获得的主要发现。表5. 回收碳纤维表面积对盐水处理效果的影响。试验编号、碳纤维类型、处理前r-CF重量[克]、处理后r-CF重量[克]、盐分回收率[%]：1. 未经研磨：3.0074、3.8267、36.42；2. 经过研磨：3.0024、4.5047、70.9。图15显示了回收碳纤维和研磨碳纤维在盐水处理后的扫描电子显微镜（SEM）分析结果。改变回收材料的表面积对盐水盐分的吸附有显著影响。图15(a)显示了未经研磨的再生碳纤维表面的盐分沉积情况，其中一些盐具有立方晶体结构，而其他盐则具有平坦的表面，如氯化钠（NaCl）和氯化钾（KCl）的结构[49,50]。使用液氮在低温磨机中研磨回收碳纤维增加了表面粗糙度。图15(b)显示纤维表面存在微裂纹和边缘的小裂缝[40]。此外，如图15(c)所示，经过盐水处理后，研磨纤维表面含有大量盐分，这些盐具有多种结构，包括立方形和不规则形态的NaCl和KCl[50]，以及类似硫酸钙和氯化镁的层状结构[51]，还有由混合盐结晶形成的聚集体。下载：高分辨率图片（1MB）；下载：全尺寸图片。图15. 盐水处理前后碳纤维的SEM图像。(a) 盐水处理后的回收碳纤维；(b) 盐水处理前的研磨碳纤维；(c) 盐水处理后的研磨碳纤维。对盐水处理后的回收碳纤维进行能量色散光谱（EDS）分析可以确定纤维表面吸附的盐类成分。图15(a)显示纤维表面的化学组成为78.54%的碳、14.20%的氧、1.22%的钠、1.36%的镁、3.57%的氯和1.11%的钾，这些元素的存在证实了KCl、NaCl和Mg(OH)2的形成。另一方面，如图15(b)所示，对盐水处理前的研磨碳纤维进行分析，确认了两种主要元素：碳和氮。纤维表面的氮是由于研磨过程中纤维被浸入液氮中产生的。盐水处理后的研磨纤维的EDS分析显示存在以下元素：75%的碳、9.02%的氧、6.29%的钠、0.55%的镁、8.27%的氯和0.67%的钙，这些元素的存在证实了NaCl、KCl、MgCl2和MgCO3的吸附。X射线衍射（XRD）分析用于测量盐分在纤维表面的附着情况。图16(a)展示了未经研磨的回收碳纤维的盐水处理情况，结果显示在2θ角（31°、45°和56°）处有明显的盐分吸附峰，对应于NaCl[52]。此外，2θ角（31°、56°和66°）的峰表明存在KCl[53]。图16(b)显示了研磨碳纤维表面的盐分，证明了以碳酸氢钠（NaHCO3）、硫酸钙（CaSO4）、氯化钙（CaCl2）和碳酸钙（CaCO3）形式的有效回收[54,55,56]。衍射图显示每种产品的明显峰，其中碳酸氢钠、硫酸钙和氯化钙的最强峰分别出现在2θ角（30°、34°、28°）、（25°、31°、38°）、（29°、19°、38°）和（29°、43°、39°）。下载：高分辨率图片（236KB）；下载：全尺寸图片。图16. 盐水处理前后碳纤维的XRD分析。(a) 盐水处理后的回收碳纤维；(b) 盐水处理前的研磨碳纤维。图17展示了盐水处理后回收碳纤维和研磨碳纤维表面的傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果。图17(a)显示了盐水处理后回收碳纤维表面的官能团，包括在3869、3739、3614和3351 cm−1波长处检测到的羟基[48]。在1666和1525 cm−1波长处检测到碳酸基团[58]。此外，在1114 cm−1波长处检测到C-C基团[40]。使用研磨碳纤维进行盐水处理时也检测到了相同的官能团（图17(b)），只是波长略有变化。羟基峰位于3432.6 cm−1，而碳酸基团峰位于1639.2 cm−1。另外，在1077 cm−1处也检测到C-C基团。下载：高分辨率图片（276KB）；下载：全尺寸图片。图17. 盐水处理前后碳纤维的FTIR分析。(a) 盐水处理后的回收碳纤维；(b) 盐水处理前的研磨碳纤维。4.2.5. 回收纤维的化学处理对盐水处理的影响化学改性的碳纤维在盐分回收方面表现更好。如表6所示，碱性处理的回收率高于酸性处理的碳纤维；用NaOH处理的碳纤维回收了92%的盐分，这是本研究中达到的最佳回收率。然而，用KOH处理的碳纤维回收率为87.6%，用H3PO4处理的碳纤维为71%，用HCl处理的碳纤维为67%。这些结果表明，碱性处理的表面改性效果比酸性处理更为显著。这表明碱性处理更有效，因为盐水处理过程中产生的二氧化碳气体是通过回收碳纤维生成的，这促进了盐分在碳纤维表面的吸附。这表明使用碱性处理对回收碳纤维进行表面改性可以显著提高盐分的回收率。表6. 化学处理碳纤维对盐水处理的影响，回收碳纤维与盐水的比例为1:10，处理时间为两小时。试验编号、化学处理前的r-CF重量[克]、处理后的r-CF重量[克]、盐分回收率[%]：1. NaOH：3.000、15.09、149、2.92；2. KOH：3.000、14.97、288、7.63；3. H3PO4：3.000、24.60、527、1.34；4. HCl：3.000、84.52、476、7.7。图18(a)和(b)显示了盐水处理后化学处理碳纤维表面的吸附盐分。NaOH处理的纤维（CF-Na）表面有明显的结晶盐沉积；其不均匀的层状结构表明存在碳酸钙和碳酸镁。纤维表面形成碳酸盐和碳酸氢盐与二氧化碳的捕获直接相关。在化学处理过程中，碱性条件在纤维表面引入了羟基官能团（OH-），该官能团与盐水中引入的CO2反应，使其转化为碳酸盐和碳酸氢盐，然后被吸附在纤维表面[59]。这表明化学处理的纤维同时具有化学吸附剂和物理吸附剂的作用[60]。下载：高分辨率图片（2MB）；下载：全尺寸图片。图18. 盐水处理后化学处理碳纤维的SEM图像。(a) NaOH处理；(b) KOH处理；(c) HCl处理；(d) H3PO4处理，回收碳纤维与盐水的比例为1:10，处理时间为两小时。图18(a)和(b)显示了盐处理后化学处理碳纤维表面的吸附盐分。NaOH处理的纤维（CF-Na）表面的盐分沉积明显且分布广泛，其不均匀的层状结构表明存在碳酸钙和碳酸镁。碳酸盐和碳酸氢盐的形成与二氧化碳的捕获直接相关。在化学处理过程中，碱性条件在纤维表面引入了羟基官能团（OH-），该官能团与盐水中引入的CO2反应，使其转化为碳酸盐和碳酸氢盐，然后被吸附在纤维表面[59]。图18(b)中的KOH处理的纤维显示，吸附的盐分具有更明显的球形和颗粒状结构，可以识别为氯化钠和氯化钾[61]。对用碱处理的回收碳纤维进行EDS分析后，发现纤维表面存在C、O、Na、Cl、K和Ca元素，这些元素可以以碳酸盐和碳酸氢盐的形式被吸附，包括NaCl、KCl、MgCl2、NaHCO3和MgCO3。与碱处理的纤维相比，酸处理的碳纤维的SEM显微图像显示表面干净，盐沉积物呈条状，且数量较少，这表明HCl和H3PO4酸处理有效地改变了纤维表面，去除了杂质并增加了其粗糙度，从而提高了吸附率。根据EDS分析，用磷酸（H3PO4）处理的纤维表面检测到的吸附成分包括C、O、Na和Cl，表明存在NaHCO3、MgCO3和NaCl[56]。图19(a)显示了NaOH处理的纤维表面的盐分吸附情况，2θ角（32°、45°和56°）处有明显的峰，分别对应于NaCl[44]、NaHCO3[62]和MgCl2[57]。图19(b)显示了KOH处理的纤维表面的盐分，其中NaCl的峰位于（31°、44°和56°）。图19(c)显示了KOH处理的纤维表面的盐分，其中CaCO3的峰位于（26°、31°和45°）和（27°、45°和56°）。图20展示了碱处理和酸处理后，再进行盐水处理和CO2注入接触系统中的碳纤维表面的FTIR结果。图8(a)显示了NaOH处理碳纤维的盐水处理情况，光谱显示羟基（64）、碳酸盐（65）、C-H伸缩（3482 cm−1、1654 cm−1、1407 cm−1、2944 cm−1、2736 cm−1和1000 cm−1）的强峰。图20(b)显示KOH处理的碳纤维在3869 cm−1、3747 cm−1和3394 cm−1处有三个羟基峰，在1658 cm−1和1529 cm−1处有两个碳酸盐峰。同一样品在960 cm−1处检测到C-C基团。图20(c)显示HCl处理的碳纤维在3859 cm−1 - 3215 cm−1处有羟基峰，在2821 cm−1和2727 cm−1处有C-H伸缩峰。图20(d)显示磷酸处理的碳纤维在3861.49 - 3284 cm−1、1703 - 1201 cm−1和962 cm−1处有羟基和碳酸盐峰。吸附官能团的浓度随处理类型而变化，在FTIR中，官能团的吸附和浓度与透射率成反比，透射率低时浓度较高。因此，NaOH处理的纤维显示出最高的碳酸盐组吸光度，透射率为17%。相比之下，KOH、H3PO4和HCl处理的透射率分别为95%、96%和96%。这些结果与XRD和SEM分析以及92%的回收率一致。下载：高分辨率图片（310KB）。图20. 盐水处理后化学处理碳纤维的FTIR分析。(a) NaOH处理；(b) KOH处理；(c) HCl处理；(d) H3PO4处理，回收碳纤维与盐水的比例为1:10，处理时间为两小时。5. 合成纤维与回收纤维的性能在本节中，比较了回收碳纤维与原始碳纤维在吸附盐水中溶解盐分方面的性能。主要关注点将是盐水的回收效率。实验在与碳纤维浸入液氮并通过低温研磨机研磨的相同时间和操作条件下进行。碳纤维与盐水的比例为1:10，即使用3克碳纤维处理30毫升盐水，处理时间为两小时。处理后，通过真空过滤实现分离，确保纤维在放入烤箱进一步干燥之前几乎干燥。随后测量了处理后的碳纤维重量，并计算了盐的回收百分比。回收碳纤维的盐回收率为70%，略高于原始碳纤维的67%。从获得的结果来看，由于使用了热解方法回收纤维废物，回收碳纤维的性能与合成纤维相当。在热解过程中，纤维经过高温处理以去除聚合物纤维基质中的所有环氧树脂，从而增加了回收碳纤维表面的孔隙率、活性位点和粗糙度。
5.1 合成碳纤维的SEM分析
图21展示了原始碳纤维经过盐水处理后的SEM分析结果。其中一些盐的晶体结构不均匀，类似于氯化钠。相比之下，在使用回收碳纤维的盐水处理中，回收纤维的表面含有大量的盐（如图9(a)所示）。这些盐表现出多种形态，包括立方体和不规则几何形状（如NaCl和KCl）；片状层状结构（如硫酸钙和氯化镁）；以及由混合盐结晶形成的聚集物。
5.2 合成碳纤维的EDS分析
EDS分析揭示了吸附在碳纤维表面的盐成分类型。图21显示了原始碳纤维表面的化学组成，其中碳占76.75%，氧占6.82%，钠占5.29%，镁占0.63%，氯化物占10.51%。这些成分的存在证实了NaCl、NaHCO3、MgCl2和Mg(OH)2在碳纤维表面的吸附。图9(a)显示，经过盐水处理后的回收碳纤维含有75%的碳，9.02%的氧，6.29%的钠，0.55%的镁，8.27%的氯化物和0.67%的钙。这些成分的存在验证了NaCl、KCl、MgCl2和CaCO3的吸附。
5.3 合成碳纤维的XRD分析
XRD分析用于测量盐在纤维表面的附着情况。图22展示了原始碳纤维经过盐水处理后的研究结果。这表明在(31°、45°和75°)的两个θ角处有显著的盐吸附峰，对应于NaCl（Ahmad等人，2021年）。此外，(31°、56°和66°)的θ角处的峰表明存在KCl（Li等人，2019年）。另一方面，图10(a)展示了回收碳纤维表面的相关盐类，证明了以碳酸氢钠（NaHCO3）[55]、硫酸钙（CaSO4）[56]、氯化钙（CaCl2）[57]和碳酸钙（CaCO3）[58]的形式有效回收了盐类。衍射图显示每种产物都有明显的峰，其中三个最强峰分别出现在2θ角为(30°、34°、28°)、(25°、31°、38°)、(29°、19°、38°)和(29°、43°、39°)。
5.4 合成碳纤维的FTIR分析
图11展示了原始碳纤维经过盐水处理后表面附着的功能基团，包括在3250–3750 cm−1处检测到的羟基（Jin & Li，2009年）。然而，羟基的宽峰表明，尽管碳纤维在烤箱中过夜干燥，但仍含有相当量的水分。FTIR光谱中还检测到了另一个功能基团：1640 cm−1处的碳酸基团[66]。另一方面，使用回收碳纤维处理的盐水的FTIR分析（图11(a)）显示在3432.6 cm−1处有羟基峰。此外，在1077 cm−1处检测到了C-C基团。
6. 工业相关性、放大考虑和未来展望
所提出的盐水净化工艺具有多个优势，支持其从实验室规模向工业规模的转化。首先，使用回收的碳纤维废物作为核心功能材料显著降低了原材料成本，并解决了现有的工业废物管理问题。基于热解的回收已经在商业规模上得到应用，表明原料准备步骤在技术上是可行的，并且可以很容易地整合到现有的回收基础设施中。其次，该工艺在温和的温度和压力条件下运行，不需要高能量输入或复杂的分离装置。气泡柱反应器的应用增强了气-液-固接触，提高了传质效率，并提供了在化学和环境工程应用中可扩展且成熟的反应器配置。这种反应器以其低维护要求、易于放大和适合连续操作而闻名。此外，该工艺能够同时实现盐的回收和二氧化碳的捕获，减少了多个处理装置的需求，从而提高了整体工艺的效率。纤维表面固体盐的回收为下游增值或安全处置提供了机会，有助于减少环境排放和运营成本。回收纤维与合成碳纤维的相当性能进一步支持了所提出方法的经济和环境可行性。
尽管性能令人满意，但仍需承认一些局限性。本研究是在实验室规模下进行的，使用的是受控的盐水量和批次操作，可能无法完全反映工业盐水的复杂性和变异性。例如，盐组成的波动、有机污染物的存在以及长期运行稳定性等因素尚未得到充分评估。此外，虽然实现了高盐回收效率，但未详细研究处理后碳纤维的再生和再利用情况。纤维的磨损、机械耐久性和多次处理循环中的吸附能力需要进一步评估，以确定工艺的长期可持续性。捕获盐的管理和回收也需要进一步研究，以确定可行的再利用途径。未来的工作应集中在连续流操作和试点规模测试上，以评估在实际工业条件下的工艺稳健性。优化反应器设计、气体流速、纤维装载量和停留时间对于最大化传质效率和最小化运营成本至关重要。还应进行详细的技术经济分析和生命周期评估（LCA），以量化该工艺相对于传统盐水处理方法的经济可行性和环境效益。建议进行额外研究，探索纤维再生策略，包括化学清洗或热活化，以实现重复使用而不显著损失性能。研究特定盐的选择性回收和纯化可能会进一步提高工艺的价值。最后，将回收碳纤维的应用扩展到其他高盐度工业废水可以扩大该技术的影响力。
7. 结论
本研究展示了一种可持续且强化工艺的盐水净化和二氧化碳捕获方法，通过利用回收的碳纤维废物实现。碳纤维增强聚合物废物通过热解成功回收，去除了聚合物基质并回收了具有增强表面可访问性的清洁碳纤维。随后的低温研磨显著增加了表面粗糙度和可用吸附位点，而使用碱性和酸性试剂的化学活化进一步改变了纤维的表面化学性质和反应性。处理后的回收碳纤维在气泡柱反应器中表现出对溶解盐的强亲和力，在温和的操作条件下实现了高效的气-液-固相互作用。在所有研究的处理方法中，NaOH改性的碳纤维实现了最高的盐回收效率，达到92.9%，突显了碱性表面功能化在增强离子吸附和沉淀中的关键作用。酸处理的纤维也改善了盐的回收效果，尽管程度较低，这证实了表面化学性质对吸附性能的强烈影响。使用SEM、EDS、XRD和FTIR的全面表征证实了盐类（包括氯化钠、碳酸钙、碳酸镁和碳酸氢钠）在纤维表面的成功吸附和沉淀。碳酸盐和碳酸氢盐的形成清楚地证明了二氧化碳的同时捕获，表明回收纤维既具有物理吸附剂也具有反应性吸附剂的功能。参数分析进一步表明，在较低的盐水量、较短的处理时间和较小的纤维粒径下获得了最佳性能，强调了传质强化和控制操作条件的重要性。总体而言，开发的工艺提供了一个综合解决方案，解决了盐水处理、碳纤维废物增值和二氧化碳封存的问题。通过将工业废物转化为用于海水淡化相关应用的功能材料，这项工作促进了循环经济原则，并推动了可持续工艺设计的发展。研究结果表明，回收碳纤维在扩大规模和优化方面具有巨大潜力，使其成为强化盐水处理和环境修复过程的有前景的材料。
作者贡献声明：
Fatemeh Bahaeddin：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据管理。
Salem Al Zahmi：监督、项目管理、概念化。
Ameera F. Mohammad：撰写——审阅与编辑、调查、概念化。
