東北地理所在太陽能驅(qū)動含鹽廢水凈化領(lǐng)域取得進展
含鹽廢水的深度處理一直是污水處理領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)通常難以實現(xiàn)較好的處理效果，或能耗較多。太陽能水蒸發(fā)（SWE）是一種環(huán)境友好的海水淡化/廢水凈化方法，利用太陽輻射為水蒸發(fā)提供動力，可實現(xiàn)高濃度含鹽廢水的徹底凈化。水凝膠蒸發(fā)器的出現(xiàn)極大地提高了蒸發(fā)速率，引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，通過單一策略設(shè)計的蒸發(fā)器，其蒸發(fā)速率和去污性能有限，限制了它們的應(yīng)用。
東北地理所水環(huán)境污染與防治研究團隊通過多策略耦合開發(fā)了一種基于超親水互連多孔水凝膠（SIPH）的太陽能蒸發(fā)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(lián)形成的混合聚合物網(wǎng)絡(luò)中合成，制備出SIPH。SIPH中的超親水互連多孔結(jié)構(gòu)不僅促進了水傳輸，而且增強了光吸收。利用?NH2調(diào)節(jié)聚合物網(wǎng)絡(luò)-水的相互作用產(chǎn)生了高比例的活性水，將蒸發(fā)焓降低到純水的三分之一。此外，混合聚合物網(wǎng)絡(luò)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(yīng)。基于這種多策略耦合設(shè)計，SIPH在一個模擬陽光下實現(xiàn)了4.80kgm-2h-1的高蒸發(fā)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(fā)現(xiàn)基于SIPH的太陽能水凈化技術(shù)對于海水主要離子去除率均超過99.996%，對工業(yè)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(yuǎn)低于中國和WHO規(guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值。此外，SIPH在不同水質(zhì)中均保持了穩(wěn)定的蒸發(fā)速率和優(yōu)異的抗污染性能。
圖1 基于SIPH的太陽能水蒸發(fā)原理圖
圖2. (a)SIPH5在天然海水中連續(xù)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(nèi)的質(zhì)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(tǒng)，該系統(tǒng)在本實驗中用于海水淡化、工業(yè)廢水和蘇打鹽堿水的凈化?(c, d) SIPH5在工業(yè)廢水(c)和蘇打鹽堿水(d)中的穩(wěn)定性和凈化能力評估
上述成果發(fā)表在納米材料領(lǐng)域國際頂級學(xué)術(shù)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(xué)院創(chuàng)新交叉團隊、中國科學(xué)院青年創(chuàng)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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