【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院張清哲研究員團(tuán)隊(duì)在太陽能驅(qū)動(dòng)的難降解廢水處理領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Ion-Regulated Water Activation in Plasmonic Aerogels for Highly Efficient and Salt-Resistive Solar Desalination”為題發(fā)表于國際期刊Adv. Funct. Mater. (2025,e14279) ，環(huán)境學(xué)院聯(lián)合指導(dǎo)博士研究生山祥城為該論文第一作者，張清哲研究員為通訊作者，山東大學(xué)為第一完成單位和獨(dú)立通訊作者單位。
在全球淡水資源日益緊缺的背景下，開發(fā)高效、可持續(xù)的海水淡化技術(shù)已成為應(yīng)對水資源危機(jī)的關(guān)鍵方向。傳統(tǒng)的海水淡化方法如熱蒸餾和電滲析因高能耗和環(huán)境影響面臨挑戰(zhàn)，而界面太陽能蒸發(fā)(ISE)技術(shù)以其低成本、環(huán)保和可再生能源驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，成為解決淡水短缺的理想方案。然而，ISE技術(shù)在高鹽度或污染環(huán)境下常受限于鹽結(jié)晶、傳質(zhì)效率低等問題，亟需創(chuàng)新材料和機(jī)制突破。
該研究開發(fā)了一種氮化鈦-聚酰亞胺氣凝膠(TiN/PIA)，通過有機(jī)冰輔助單向冷凍制備技術(shù)，構(gòu)建了具有分級孔隙和定向水傳輸通道的結(jié)構(gòu)，結(jié)合SPR光熱轉(zhuǎn)換和Hofmeister效應(yīng)調(diào)控水合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的光熱蒸發(fā)廢水凈化及海水淡化性能。研究發(fā)現(xiàn)，TiN/PIA蒸發(fā)器在7wt%鹽水中的蒸發(fā)速率高達(dá)4.22 kg m-2h-1，超越在純水中的表現(xiàn)，在25wt%高鹽度條件下仍保持2.96 kg m-2h-1。Cl-通過霍夫邁斯特“鹽溶”效應(yīng)降低水的蒸發(fā)焓，顯著提升水分子活化效率，同時(shí)有效抑制鹽結(jié)晶，確保長期穩(wěn)定運(yùn)行。
圖1.TiN/PIA可調(diào)的水輸運(yùn)特性、太陽能驅(qū)動(dòng)的界面淡化性能和離子介導(dǎo)的水活化行為。
在山東大學(xué)青島校區(qū)使用黃海海水進(jìn)行的戶外實(shí)驗(yàn)表明，蒸發(fā)率穩(wěn)定在2.96 kg m-2h-1以上，主要離子濃度降低3-4個(gè)數(shù)量級，符合WHO和EPA的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。此外，該蒸發(fā)器成功凈化了含砷和銻的廢水，凈化水對小麥種子發(fā)芽和E. coli生長均未表現(xiàn)出明顯的抑制作用。在戶外太陽光照射下，該系統(tǒng)在真實(shí)海水和廢水中連續(xù)運(yùn)行8天無明顯性能衰減，展現(xiàn)出其優(yōu)異的實(shí)用性和抗鹽耐污能力。所開發(fā)的陸海兩用蒸發(fā)凈水裝置(已申請中國發(fā)明專利)輕質(zhì)便攜，可漂浮在海面上，實(shí)現(xiàn)太陽能自驅(qū)動(dòng)海水淡化及廢水凈化，可適用于淡水缺乏的海島、輪船等離網(wǎng)、應(yīng)急或基礎(chǔ)設(shè)施有限的場景。優(yōu)異的耐鹽特性亦使其在高鹽工業(yè)廢水處理領(lǐng)域具有較大潛力。本研究合成了表面等離子體共振(SPR)增強(qiáng)的光熱氣凝膠蒸發(fā)器，為高效、抗鹽的太陽能廢水凈化及海水淡化提供了新的解決方案。
圖2.TiN/PIA基太陽能蒸發(fā)器的實(shí)際應(yīng)用。
以上研究由山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)合中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、中國科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院、英國謝菲爾德大學(xué)、加拿大國立科學(xué)研究院、美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)等多方國際團(tuán)隊(duì)完成。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者青年項(xiàng)目和山東省優(yōu)秀青年科學(xué)基金(海外)資助。
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