用于水处理的光热转换碳材料的制备及应用进展*

樊 莎，何铠君，向娇娇，高达利，姜 超，权 慧，张师军，朱海霖,4，刘国金

(1. 浙江理工大学 浙江省纤维材料和加工技术研究重点实验室，杭州 310018； 2. 嘉兴南湖学院 新材料工程学院，浙江 嘉兴 314001； 3. 中石化(北京)化工研究院有限公司，北京 100029； 4. 浙江省现代纺织技术创意中心，浙江 绍兴 312000)

0 引 言

随着工业化的发展，水资源污染和短缺问题日益严重，解决水资源问题迫在眉睫。水处理是当前的热门研究课题[1]。近年来，用于水处理的膜分离[2-3]、反渗透[4]、电渗析[5]等技术不断发展，但这些技术普遍存在生产能耗大、成本较高等问题。太阳能因具有成本低、可持续的优点已被开发并应用到诸多领域[6-8]。其中，太阳能界面光热水蒸发是一种将光热转换[9-10]获得的热量限制在空气-水界面，进而局部加热水体生成蒸汽的水处理技术，近年来受到了研究者们的密切关注。

光热材料是决定光热转换效率最为关键的因素[11]，成为了太阳能界面光热水蒸发领域内的研究热点。碳材料如炭黑、碳纳米管、石墨烯等[12-14]具有宽光谱吸收能力、良好的光热转换性能、机械强度高等优点，吸引了研究者们的关注。碳材料自身的可调结构赋予了光热蒸发系统不同的功能特性，如调整碳纳米管的阵列排列，在伸长光路中的多重反射来实现广谱吸收[15]。更重要的是，碳材料还具有很强的加工能力，可以作为成分与其他材料耦合形成结构化复合材料，实现个体之外的协同功能[16]。如炭黑的疏水性限制了其表面的水输送，通过静电纺丝将炭黑颗粒封装在亲水基质纤维中，获得良好亲水性的光热薄膜材料[17]。碳材料来源广，可调节性强，利用其光热转换能力与其他材料结合，在海水淡化、废水处理等水处理领域有着光明的前景。

本文简要介绍了光热转换碳材料的特征、分类和光热转换原理，阐述了基于光热转换碳材料太阳能蒸发器的结构设计，总结了水处理光热碳材料的主要制备方法，综述了光热转换碳材料在海水淡化、废水处理的应用进展，为光热转换碳材料在水处理领域应用的发展提供一定的参考。

1 用于水处理的光热转换碳材料概述

1.1 光热转换碳材料简介

碳是自然界中常见的元素之一，其电子轨道为1S22S22P2，常见的电子轨道杂化形式有SP1、SP2和SP3。碳的原子轨道发生不同程度的杂化而形成不同性能的碳材料。碳材料几乎包括世界上所有物质的性能，如从全吸光-全透光、绝缘体-半导体-高导体、绝热-良导热、高临界温度的超导体等[18]。

太阳能驱动的水处理利用的是光热效应，即通过光激发产生热量的过程[19]。因此用于水处理的碳材料需具有宽吸收频谱范围，好的光热转换能力，以实现高效的光吸收并转换为热量。同时为保证水蒸发产生速率和长期使用性，还需具备良好的润湿性、耐腐蚀性、机械强度等特点。

光热转换碳材料按来源可分为人工碳材料(非生物质衍生碳)和生物质衍生碳材料。人工碳材料以优异的物化性能及机械性能，在太阳能光热水处理领域得到广泛关注，因而重点对人工碳材料的制备和应用展开综述。

人工碳材料分为三类[16]：石墨烯族(石墨、石墨烯、氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)等)、碳纳米管(CNTs)[20]、非晶态碳(活性炭、炭黑等)。

石墨烯是碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体[21]，石墨烯具有高比表面积、高机械强度、优异光学性能，是零维富勒烯、一维碳纳米管及三维石墨的二维构筑材料[22]，见图1。碳纳米管是高纵横比的纳米碳材料，可具有半导体或金属性质[20]，是光热转换的理想材料。木炭[23]、炭黑(CB)、活性炭(AC)等都属于非晶形碳，是优异的光吸收剂，如CB对250～2 500 nm波长的光吸收率超过99%[24]；AC具有的高孔隙率导致其高度扩展的表面积[25]，这对太阳光的高效捕捉具有重要作用。

图1 石墨烯与富勒烯、碳纳米管、石墨之间的转换示意图[22]Fig.1 Schematic diagram of the conversion between graphene and fullerenes, carbon nanotubes, graphite[22]

1.2 光热转换碳材料在水处理中的光热转换原理

碳材料光热转换是基于共轭体系的分子热振动机理。碳材料由于存在疏松的π电子结构，吸收太阳光后，内部的电子吸收光能从π成键分子轨道跃迁到π*反键分子轨道(图2)。当激发的电子落回基态后引起晶格弛豫，使局部温度升高并向周围扩散，从而实现光热转换。碳材料丰富的共轭结构缩小了分子轨道之间的能隙[26]，使碳材料对光的吸收几乎覆盖了整个太阳光谱，因而具有宽的光谱吸收能力。

图2 基于分子热振动的碳材料光热转换机制图[27]Fig.2 Photo-thermal conversion mechanisms of carbon materials with thermal vibration of molecules[27]

1.3 基于光热转换碳材料太阳能蒸发器的结构设计

太阳能界面光热水蒸发是一种定位加热蒸发，碳材料进行光热转换，水分子的蒸发仅发生在气-液界面，蒸发效率可达到80%以上[28]。太阳能蒸发器有三个重要部件[29]：(1)光吸收器：可以有效地吸收太阳辐射并将其转化为热量；(2)供水系统：持续向加热区域运输液体；(3)绝热层：有效减少水蒸发过程的热量损失。

按照材料的组成方式，可以将太阳能蒸发器结构分为多层结构和一体化结构。

1.3.1 双层结构

双层结构指的是碳材料和基材为光热层，在水和光热层之间还有隔热材料的结构[19]。光热层的碳材料通过分子热振动将光能转换为热能；基材通常是纸张、泡沫[30]、纤维[31]、织物等具有一定的机械强度、良好湿润性且能有效供水的材料。如Shi等[32]设计了一种rGO薄膜为光热层，聚苯乙烯多孔泡沫兼具保温和输水作用的双层光热材料，实现83%的光热转换效率。

1.3.2 一体化结构

一体化结构是同时具有光吸收、水输送、绝热、自浮等性能的结构。该类结构主要是气凝胶、水凝胶材料，其内含三维网络结构，持有高孔隙率、低导热系数、低密度的优势，能够为水运输和蒸汽逸散提供充足的通道，减少向水体的热量损失，并可以实现在水面上的自漂浮。Guo等[33]报道了一种含AC的碳水凝胶，其独特的亲水多孔网络结构可以降低水的蒸发焓，该蒸发器的蒸发率大大提高，光热转换效率达91%。

2 水处理用光热转换碳材料的制备方法

光热转换碳材料的制备方法总结为一步法和两步法。一步法是指将含碳材料的分散液或溶液制成薄膜/片状材料或直接在基材上生成碳材料的方法。两步法是将制备好的碳颗粒通过物理或化学作用沉积、固定在碳基基材上，以获得光热转换碳材料的方法。

2.1 一步法

2.1.1 冷冻干燥法

冷冻干燥法是直接构筑三维材料的方法，是将含碳材料溶液与其他材料混合，经过预冷冻、冻干后得到产物。该方法不会破坏材料原本的结构，通过冰晶的直接升华成型获得多孔网络结构，不仅增加了材料的水通道还增强了光吸收能力。Jian等[34]通过冷冻干燥法制备了碳纳米管水凝胶，在材料内冰晶的驱动力下，碳纳米管的随机搭接产生理想的蜂窝状多孔结构，水处理过程中光热转换效率达到85.71%。该方法使用防冻介质影响冰晶的生长行为，可诱导碳材料内部结构的组装。Zhang等[35]采用乙醇、丙酮作为防冻液，从下而上控制冻结方向，获得了垂直排列的三维石墨烯膜(图3(a)、3(b))，该膜具有运输水的贯通通道和优良的光热转换能力(86.5%)。而分别由环己烷、吡咯配置的石墨烯溶液均未得到上述结构(图3(c)、3(d))。通常，冷冻干燥形成的碳材料受外力作用易坍塌和变形，需要进行碳化处理建立交联网络获得弹性[36]。在冷冻干燥过程引入交联剂可直接提高碳材料的韧性。Jian等[37]以GO、CNTs和海藻酸钠(SA)为原料，氯化钙为交联剂，经冷冻干燥后形成了一种共价键、可调节的氢键共存的双交联网络，解决了结构易坍塌的问题。该材料具有高盐度去除率(99.28%)和高蒸发率(1.86 kg/(m2·h))，有望成为海水淡化应用中一种有吸引力的光热材料。

图3 不同添加剂制备的rGO的SEM 图[35]：(a)乙醇；(b)丙酮；(c)环己烷；(d)吡咯Fig.3 SEM images of rGO samples prepared with different additives[35]: (a)ethanol;(b) methanol;(c)cyclohexane;(d)pyridine

2.1.2 静电纺丝法

静电纺丝是将含碳材料的聚合物溶液进行喷射纺丝，纳米级纤维细丝集于基材上形成薄膜材料的方法。该方法能实现碳材料在聚合物基质中的均匀分散，改变纺丝条件，会影响薄膜的结构与光热性质。Zhang等[38]将CB分散于醋酸纤维素(CA)进行纺丝，当CB的质量分数<10%时，CA纤维中嵌入的CB颗粒分布良好。薄膜形成多孔的网络结构，具有超高蒸发率(1.48 kg/(m2·h))，太阳能转换效率为98.6%；但质量分数达到20%时，膜中纤维出现团聚现象，水蒸发速率下降。Zhu等[39]改变纺丝距离和进料速率等参数来调节膜的孔隙率，制备内嵌有CNTs的聚丙烯腈膜。膜中的CNTs具有宽光谱吸收能力，高孔隙率能增强光吸收效率[40]，两者结合提高了材料的光热转换性能。当膜的孔隙率为89.2%，光吸收率达90.8%，在1次太阳光照下，光热膜的海水蒸发率为 1.44 kg/(m2·h)。静电纺丝操作简单，可形成的高度开放的微孔三维网络，材料具有高孔隙率，能有效提高光吸收能力和水蒸发速率。但是其生产时间长，生产效率还需要进一步提高，对于大规模的应用仍存在一定的限制。

2.1.3 化学气相沉积法(CVD)

化学气相沉积是碳以蒸汽和气体的形式运输到基体表面，然后发生反应生成固态沉积物的过程。CVD使用金属模板可实现碳材料在金属骨架上的原位生长，改变制备条件调节碳材料的结构和性能，促进碳材料在水处理方面更高效的光热转换。Yoshikazu等[41]以苯、吡啶分别为碳、氮源，在纳米多孔Ni(np-Ni)基生长出有氮掺杂和无氮掺杂的三维多孔石墨烯。对比之下，掺杂氮的石墨烯亲水性得到了改善，随着掺杂的氮气浓度的增加，水蒸发速率逐渐增加。润湿性的提高促进了孔隙通道的水和蒸汽的运输，仅单层石墨烯的光热转换率便达到了80%。另外Yoshikazu还通过改变反应温度实现了对石墨烯内部孔径的调控。当CVD温度从800～950 ℃，孔径从100～300 nm 变为1～2 μm。微米大小的孔隙通道更适合用于水的毛细管作用，有利于提高水蒸发速率。Ren等[42]使用镍泡沫作为石墨烯纳米板(GNPs)的模板，用等离子体增强的CVD法制备了具有连续孔隙的分层石墨烯泡沫(h-G泡沫)。与普通的石墨烯泡沫比较，h-G泡沫存在随机取向的GNPs一级结构和二级结构，可以最大限度地减少入射光的反射和透射，有效地将吸收的光转化为热，进行海水淡化的光热转换效率高达90%。

化学沉积法可以完全复制模板开放而连续的孔径结构，获得性能较优的石墨烯材料，但是操作过程复杂，在应用过程还需要克服其成本昂贵等问题。

2.2 两步法

2.2.1 真空过滤法

真空过滤法是将光热材料分散在溶液中，后利用真空负压使固体碳材料被截留分散于滤材获得光热碳材料的方法。该方法通过在分散液加入特定物质，可有效改善碳材料的亲水性，进而提高光热水蒸发速率。Guo等[43]以羧化纤维素纳米纤维(CNF)为分散剂，因CNF具有两亲性，CNF可以通过疏水位点间的相互作用附着在CB颗粒上，从而提高了CB的润湿性，在1次阳光照射下水蒸发率达到1.08 kg/(m2·h)。Anush等[44]以聚乙烯亚胺(PEI)与AC颗粒混合制备混合溶液，随后用真空过滤的方法均匀的沉积在滤纸上。通过在AC中引入水溶性聚合物PEI，使得润湿能力提高，最终光热层具有高光吸收能力和亲水表面，使水传输和水蒸发的速度达到最优平衡，最终可到达蒸发速率1.17 kg/(m2·h)。

该方法操作简单、可行性好，对各种分散液的适应性广。但是其对基材的限制较大，对基材的孔径和形状有要求；真空推动力小，生产效率较低。

2.2.2 浸渍法

浸渍法是将光热材料配成分散液，后将基材浸泡放入液体中，通过超声、机械搅拌、加热等作用，使碳材料均匀地吸附在基材表面的过程。浸渍法不限制基材的形状和大小，碳材料充分利用基材的结构优势，更好的提高光热转换效率。Zhang等[45]选用聚乙烯醇(PVA)海绵作为基材，通过物理吸附作用将CB与海绵有效结合。由于PVA海绵良好的亲水性、多孔结构和微纳米孔道，负载有CB的PVA海绵兼具优异的水运输能力和良好的光热转换效率。Sun等[46]通过浸渍法将炭黑CB负载到无纺布材料中，无纺布中的分层多孔结构有利于光的反射和散射，CB具有优异光热吸收能力协同由纤维构建的层次结构，提高了材料的吸光度(95%)和能量转换效率(91.5%)。Zhang等[47]通过浸渍法用活性炭(AC)颗粒修饰灯芯草纤维(AC-JE)，AC分散在纤维之间形成的多孔网络骨架中，该结构允许入射光进入，促进AC吸收光能的同时，还产生强的光散射和内反射效果，AC-JE表现极高的光学太阳吸收能力(97%～98%)。

浸渍法操作简单、成本较低，像炭黑、活性炭等化学性质稳定而不易构筑的碳材料，常用该法与其他材料结合，发挥更优的光热转换效果。但是浸渍法得到的颗粒层机械强度低，容易脱落，耐久性较差。

2.2.3 喷涂法

喷涂法是将含碳材料的溶液在一定压力作用下经喷枪细化成雾滴，随后附着在基材表面的制备方法。喷涂法操作简单，生产效率高，不限基材且可形成分散均匀的表面涂层，可制备不同结构的光热碳材料。Amrit等[48]用喷枪将AC黑漆涂料沉积在基材上，并对AC颗粒浓度等参数进行了优化，获得了均匀分布且具有微孔-介孔结构的AC基光热材料，涂层光吸收率为99.1%。该方法利用活性炭的孔隙结构吸附、粘附黑漆，提高两者之间的结合力，可连续进行120天的水处理。Xu等[49]以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为粘合剂与多壁碳纳米管(MWCNT)、正己烷、甲苯配成分散液，通过喷涂法均匀的涂覆于聚碳酸酯(PC)膜上(见图4)，溶剂挥发后，获得的碳纳米管涂层具有多孔微观结构，可高效捕获太阳光。Li等[50]在酸化CNTs的乙醇/己烷混合液中加入PDMS，随之喷涂在三聚氰胺海绵表面。经过喷涂，海绵的多孔结构得以保留，由于PDMS/CNTs层的非溶剂诱导的相分离，在基材上产生粗糙涂层，粗糙度提高可增加涂层的表面积，减少光的散射，提高光吸收率(99%)，能高效产生蒸汽并进行脱盐。

图4 喷涂法制备复合光热膜机理[49]Fig.4 Mechanism of preparation of composite photo-thermal film by spraying method[49]

2.2.4 3D打印技术

3D打印技术是一种新型的数字化制造技术[51]，氧化石墨烯(GO)具有独特的粘弹性能，表现出良好的打印能力[52]，利用该技术可以自动、快速、精确制造复杂GO材料。Wang等[53]优化GO悬浮液流变特性，设计了具有特殊表面的三维分层结构模板，进行精准的定向3D打印，经冷冻干燥后获得了一个三维GO太阳能蒸发器(GOSG)(见图5)。3D打印技术能够进行结构的精细设计和构建，GOSG表面有气孔状孔，其子结构包括分层仿生结构(图6)。GOSG实现了光吸收和水蒸发的协同增强。在1次光照下，光热转换效率为94.5%。Li等[54]采用垂直3D打印技术制备了GO材料，先在适当压力下挤出油墨，经冷冻干燥、退火处理得到稳定结构的CB/GO复合材料。与逐层打印相比，垂直3D打印设计GO内微通道的方向与液体运输的方向一致，有助于自下而上的液体供应，提高水处理过程的光热蒸发速率。3D打印技术在制备特殊结构的碳材料具有很大的优势，但是材料的机械强度还需加强，设备的耐久性也需要提高。

图5 3D打印氧化石墨烯基蒸汽发生器GOSG的制造过程[53]Fig.5 Fabrication procedure of the 3D-printed graphene oxide-based steam generator (GOSG)[53]

图6 GOSG表面结构的SEM图[53]：(a)GOSG一级气孔结构，插图是其横截面光学显微镜图片；(b)二级分级微孔结构Fig.6 SEM image of the surface structure of GOSG[53]: (a)The primary stomatal structure of GOSG, the inset is its cross-section optical microscope picture;(b)The second-level hierarchal micro-pores of GOSG

3 光热转换碳材料在水处理中的应用现状

利用碳材料的光热转换特性进行太阳能光热水蒸发，可以实现盐分、有机物质、细菌等与水的有效分离，达到海水脱盐、去除水中有机物质、金属离子、细菌的效果。因而光热转换碳材料有望被广泛应用在海水淡化、废水处理等水处理领域。

3.1 海水淡化

海水中存在Na+、K+、Ca2+、Mg2+等离子，通过碳材料的光热转换进行水蒸发后，能实现水和离子的有效分离，获得洁净水。Li等[55]报道了经过静电纺丝法制备的GO和聚甲基丙烯酸甲酯的复合膜，海水中Na+、Mg2+、K+、Ca2+的浓度从初始的1.0×104，1.5×103，4.0×102和4.0×102mg/L降至1.4，0.24，0.61和0.28 mg/L，远低于世界卫生组织(WHO)标准规定的盐度水平，具有优异的脱盐能力。

海水蒸发过程中存在盐沉积造成材料污染的问题，随之材料的光热性能下降。在保证碳材料光热水蒸发效率的前提下，权衡表面湿润性和抗盐污染能力设计出的供水结构可解决这一问题。目前，这类供水结构分为接触式结构和非接触式结构。

3.1.1 接触式结构

接触式结构是指盐水运输到材料表面，通过水对流和水诱导蒸发阻止盐在表面沉积的结构。特殊设计的供水结构可以有效地增强碳材料与水对流效果，在盐沉淀前自发地稀释高浓度盐水。Zhang等[56]设计的供水结构见图7，水通过亲水棉纱的毛细作用转移到邻近的碳纤维，改变碳纤维在弯曲方向上的宽度，可以提供额外的水路径，经历连续10 h的脱盐也未发生盐沉积。另外一种方式是通过水通路的诱导蒸发控制盐沉积的空间位置，防止材料表面被污染。Xia等[57]通过真空过滤制备了CNTs基蒸发器，利用供水棉线运输盐水时产生的径向浓度梯度(中心到边缘)，盐沉淀发生蒸发器的边缘，随着水蒸发的进行，盐在重力作用下自动脱落，可实现自清洁。Wu等[58]通过3D打印技术构建了一种仿生三维CNTs蒸发器，该结构具有独特的金字塔形态以及梯度微腔阵列，产生了与位置相关的水膜厚度梯度及沿侧壁的温度梯度，导致了盐结晶局域化的现象并提高了水蒸发和能量转换效率。在1次太阳光照下对高盐度溶液(25%(质量分数))进行净化，蒸发速率达2.62 kg/(m2·h)，光热转换效率大于96%。该结构同时实现盐回收，但不对沉积盐及时清理的话，可能存在底部堵塞的问题。

图7 碳纤维织物太阳能蒸发器的供水结构示意图[56]Fig.7 Schematic diagram of water supply structure of carbon fiber fabric solar evaporator[56]

3.1.2 非接触式结构

非接触式结构是防止盐被输送到蒸发表面的一种供水结构。Zhu等[59]报道了一种基于单向水输送的碳纳米管光热材料进行海水脱盐处理，该材料具有Janus结构一侧疏水，一侧亲水，既能保证单向的连续抽水蒸发，也能抑制盐在表面结晶析出。Hu等[60]采用喷涂法设计了具有可控盐的碳纳米管@硅胶太阳能蒸发器，其结构具有超疏水的骨架(硅胶海绵)和超亲水壳(CNTs)，能够阻止盐向表面扩散，保持充足水供应，减少热量损失，对Na+、Mg2+、K+、Ca2+、Cu2+等离子的去除率均达99.7%以上见图8，离子浓度符合世界卫生组织饮用水标准。

3.2 废水处理

废水中存在重金属离子、油污和危害人类健康的细菌和病毒，因此对废水的回收利用往往要进行复杂的水处理过程，处理器件要有一定的耐腐蚀性。利用碳材料优良的物化性能，进行太阳能界面光热水蒸发可以快速、持久地净化废水。接下来主要从去除重金属离子、油水分离、污水消毒等三个方面，展开碳材料在废水处理的应用进展论述。

3.2.1 重金属离子的去除

废水中的重金属常以离子形式存在，一般通过化学沉淀或者物理吸附的方法去除，而利用碳材料的光热效应进行水蒸发也能取得优良的去除效果。Yu等[61]采用rGO修饰的醋酸纤维素过滤蒸发器用于重金属废水处理，由于纤维素本身的亲水性及rGO的高效光吸收能力，保证了高效的水蒸发速率(2.81 kg/(m2·h))，经检测对重金属离子Cr3+、Cu2+、Zn2+、Pb2+排斥率超过99%。Zhuang等[62]利用rGO水凝胶作太阳能蒸发器，实现了高效的水蒸发，对含Ni2+、 Cr3+、Cu2+等重金属离子的废水处理后，比原始浓度减少了3个数量级。通过水蒸发去除金属离子时，不会发生像处理盐水时的沉积现象，且离子的去除率接近100%，因而利用碳材料进行界面光热蒸发去除重金属离子具有很好的发展前景。

3.2.2 油水分离

太阳能光热水蒸发技术对水包油乳液有很好的净化效果[63]，但蒸发过程中油易堵塞蒸发器的通道或挥发污染冷凝水。根据油污水处理工艺的超润湿系统，调节碳材料的表面性能是解决该问题的关键因素。Yang等[64]报道了一种聚吡咯改性的活性炭纸(DPAC)，具有微观结构的DPAC光吸收能力强；由于DPAC良好的亲水性，在表面形成一层水膜，能有效的排斥油，当DPAC净化4%(质量分数)油溶液时，能有效减少油滴在材料上的附着。Zhu等[65]通过真空过滤的方法将CNT与纤维素膜(DAC)复合，超润湿CNT@DAC复合膜具有粗糙的结构和优良的两亲性，具有水下超疏油性和油下超疏水性，可用于各种油水乳剂(水包油/油包水)的按需分离(图9)。

图8 太阳能水蒸发后模拟海水和废水中主要阳离子浓度变化[60]Fig.8 Concentration changes of the major cations in simulated seawater and wastewater after solar evaporation[60]

图9 CNT@DAC 膜分离的乳液收集滤液中的通量、 COD值、油纯度，插图是乳液和收集的滤液的图片[65]：(a)水包油乳液；(b)油包水乳液Fig.9 Fluxes, COD values and fluxes and oil purity in the collected filtrates of emulsions separated by the CNT@DAC membrane, Insets were the pictures of emulsion and the collected filtrate[65]: (a) water-in-oil emulsions;(b)water-in-oil emulsions

3.2.3 污水消毒

光热转换碳材料结合太阳辐射和热量的协同作用可快速、高效地杀灭细菌，这在污水消毒领域具有很好的应用前景。Zhang等[66]将rGO附着在PTFE支撑层上，制备成双层结构的光热膜。光照强度为2.56 W/cm2时，光热转换产生的蒸汽温度达132 ℃，能在5 min快速完成杀菌，且光热转换效率达84%。Hong等[67]研究了CNT-PVA薄膜对大肠杆菌的光热消毒效果。原细胞(图10(a))在1个太阳强度下的光热处理，破坏了其细胞结构导致其裂解(图10(d))。但是只用太阳辐射或单独热处理后(图10(b)、(c))，没有发现明显的细胞裂解。这是因为CNT-PVA薄膜将太阳能转化为热能，产生高温，破坏细胞中的蛋白质成分，太阳辐射直接破坏细菌的遗传信息，二者的协同作用保证在20～30 min就可达到良好的杀菌效率。碳材料吸收太阳能进行杀菌过程中，保持良好的水净化能力，在污水灭菌消毒方面很有潜力。

图10 不同处理条件下的细菌细胞形态，红色标记代表细胞被破坏区域[67]：(a)原始细胞；(b)太阳辐射处理；(c)热处理；(d)光热膜处理Fig.10 Morphology of bacterial cells under different treatment conditions, The red circles show where the cells have been destroyed[67]: (a)initial cells; (b) treated with solar radiation;(c)treated with heat;(d)treated with the photo-thermal film

4 结 语

碳材料具有高效光热转换能力、优异的物化性能、优良的机械强度等特点，基于此，碳材料与其他材料复合组成的太阳能界面水蒸发系统在海水淡化、废水处理等领域具有广泛的应用前景。碳材料是太阳能水蒸发系统的重要部分，随着研究者对光热转换碳材料在水处理领域的关注和研究，越来越多的碳材料应用于光热转换的水蒸发，制备的方法也在不断创新和优化，碳材料的质量和水处理效果也在不断提高。但光热转换碳材料在水处理领域的实际应用还有一定的距离，现将其需要改进之处总结如下：

(1)碳材料的亲水性有待改进。目前碳材料的疏水性问题限制了在太阳能蒸发水处理方面的应用，应继续研发复合碳材料和新型碳材料提高亲水性能。

(2)太阳光热水蒸发系统的稳定性和耐久性有待提高。用于水处理的材料有耐盐、耐腐蚀、耐有机溶剂、自清洁等要求，保证其重复使用性。因此，光热转换碳材料的稳定性和耐久性的提高需进一步研究。

(3)集水系统需要进行合理的设计。利用太阳能水蒸发可以高效产生清洁水，但目前收集水蒸汽的冷凝装置仍处于实验室用阶段，要实现大规模应用，需要设计更合理和高效的收集装置或系统。

碳材料固有的光热转换性能，在太阳能光热蒸发水处理方面已经得到很大的关注，其在制备、结构和性能方面也有较大的发展。如能解决上述问题，有望进一步推动光热转换碳材料在水处理领域的推广和应用。