東北地理所在太陽能驅動含鹽廢水凈化領域取得進展
含鹽廢水的深度處理一直是污水處理領域的一大挑戰。現有技術通常難以實現較好的處理效果，或能耗較多。太陽能水蒸發（SWE）是一種環境友好的海水淡化/廢水凈化方法，利用太陽輻射為水蒸發提供動力，可實現高濃度含鹽廢水的徹底凈化。水凝膠蒸發器的出現極大地提高了蒸發速率，引起了人們的廣泛關注。然而，通過單一策略設計的蒸發器，其蒸發速率和去污性能有限，限制了它們的應用。
東北地理所水環境污染與防治研究團隊通過多策略耦合開發了一種基于超親水互連多孔水凝膠（SIPH）的太陽能蒸發器（圖1）。該研究采用原位共凝膠法，將氧化碳納米管（CNTs）作為太陽能吸收劑，摻雜到由聚乙烯醇（PVA）和殼聚糖（CS）交聯形成的混合聚合物網絡中合成，制備出SIPH。SIPH中的超親水互連多孔結構不僅促進了水傳輸，而且增強了光吸收。利用?NH2調節聚合物網絡-水的相互作用產生了高比例的活性水，將蒸發焓降低到純水的三分之一。此外，混合聚合物網絡的形成顯著降低了蒸汽生成過程中水的對流熱損失，賦予SIPH杰出的熱定位效應。基于這種多策略耦合設計，SIPH在一個模擬陽光下實現了4.80kgm-2h-1的高蒸發率和95.0%的能源效率。在凈化效能方面（圖2），通過對收集的冷凝水分析發現基于SIPH的太陽能水凈化技術對于海水主要離子去除率均超過99.996%，對工業廢水中6種高濃度金屬離子去除率均達到99.999%，凈化后蘇打鹽堿水中的主要陰離子濃度也遠低于中國和WHO規定的飲用水標準限值。此外，SIPH在不同水質中均保持了穩定的蒸發速率和優異的抗污染性能。
圖1 基于SIPH的太陽能水蒸發原理圖
圖2. (a)SIPH5在天然海水中連續太陽能脫鹽120小時的耐久性測試?插圖：太陽能脫鹽實驗中SIPH5在海水中最初1小時和在海水中浸泡30天后1小時內的質量變化?(b)凈化前后天然海水中主要離子濃度和室外太陽能凈水系統，該系統在本實驗中用于海水淡化、工業廢水和蘇打鹽堿水的凈化?(c, d) SIPH5在工業廢水(c)和蘇打鹽堿水(d)中的穩定性和凈化能力評估
上述成果發表在納米材料領域國際頂級學術期刊《Nano Today》（IF=17.4）上，由博士生王斌（第一作者）和祝惠研究員（通訊作者）等共同完成。該研究得到中國科學院創新交叉團隊、中國科學院青年創新促進會等項目資助。
論文信息及鏈接如下：Wang, B., Zhu, H*., Shutes, B. Multi-strategy coupling of custom hydrogel evaporators for sustained, high-efficiency clean water production and anti-pollution. Nano Today, 57 (2024) 102370.https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102370
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