东华理工徐景坤/周仲魁：太阳能驱动水凝胶对废水中重金属离子的高效界面蒸发和吸附

第一作者：Li, Zheng

通讯作者：徐景坤 周仲魁

通讯单位：东华理工大学 江西科技师范大学

论文DOI：10.1016/j.seppur.2024.129243

研究背景

全球淡水资源短缺已成为威胁生态系统稳定和人类健康的严重问题，随着全球人口的不断增长、城市化进程的加快以及气候变化的加剧，这一问题日益严重。传统的水净化方法如反渗透膜分离、热蒸馏和催化降解，虽然有效，但由于能耗高、系统复杂，使得这些技术难以大规模应用。在此背景下，太阳能水净化技术因其依赖于太阳能这一可再生、低成本的能源，展现出了广泛的应用前景。太阳能界面蒸发技术通过将捕获的太阳能转化为热能，进而引发蒸发过程，达到从污染水中分离纯净水的效果。

然而，目前的研究主要集中于利用太阳能进行水蒸发和冷凝来收集纯净水，而对蒸发后留下的浓缩废水的处理问题常常被忽视。特别是在工业废水中，如化学制造和冶金行业产生的大量重金属含量废水，如果不加以处理，可能会对水质和人类健康造成严重威胁。因此，在太阳能水净化技术中，如何有效处理这些废水中的重金属离子已成为亟待解决的关键问题。

内容简介

本文提出了一种新型的基于高岭土、碳纳米管（CNTs）和聚丙烯酰胺（PAM）组成的水凝胶（KCAH），用于高效的太阳能界面蒸发和重金属离子吸附。KCAH通过构建多孔网络结构，优化了水的传输通道，并提高了离子交换吸附效率。通过引入具有广泛吸收和光热转换特性的碳纳米管，水凝胶蒸发器实现了跨越整个光谱的99.8%的吸收率，并在标准太阳光照下，蒸发速率达到了2.99 kg/m²/h。此外，在光热效应的作用下，KCAH还保持了Mn²⁺吸附能力，并表现出优异的稳定性。

在室外测试中，KCAH的每日水生产量达到了4.85 kg/m²，显示了其高效的蒸发性能和优异的吸附能力，特别适用于处理含有重金属离子的工业废水。KCAH不仅能够高效蒸发水，还可以同时去除水中的重金属离子，使其成为太阳能水净化领域中的一种有前途的选择。

图文导读

这一组图像通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析，展示了水凝胶内部的多孔网络结构，以及碳、氮、铝和硅等元素在材料中的分布情况。这张图反映了KCAH的高孔隙率和活性位点分布，为其高效吸附重金属离子提供了结构基础。

该图展示了KCAH在250-2500 nm波长范围内的光吸收性能，以及在太阳光照射下水凝胶的表面温度变化情况，说明了KCAH在吸收太阳能并转化为热能方面的高效表现。此外，图中还展示了水凝胶的接触角，表明其优越的亲水性。这张图反映了水凝胶在光热转换效率和溶胀性能方面的表现。

该图通过记录水在光照下的质量变化，评估了KCAH的蒸发速率和效率。结果显示，KCAH在不同光照强度下的蒸发速率稳定且高效，尤其是在1个太阳（标准光照强度）下，蒸发速率达到2.99 kg/m²/h。这张图反映了KCAH在水蒸发过程中表现出的高效蒸发性能。

该图展示了KCAH在黑暗和光照条件下对重金属离子（如Mn²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺和Ni²⁺）的吸附能力，并比较了光照对吸附性能的影响。结果表明，光照下的吸附效率显著高于黑暗环境。这张图反映了光热效应对离子吸附过程的加速作用，进一步验证了KCAH的协同蒸发和吸附功能。

该图展示了KCAH在实际太阳光下的净化能力，包括净化设备设计、实验中的太阳强度监控和收集的纯净水量。测试结果表明，KCAH在室外环境下能够稳定地产生纯净水，蒸发速率达到4.85 kg/m²/d，且蒸发后的水质符合WHO的饮用水标准。这张图反映了KCAH在实际应用中的太阳能净水能力和重金属去除效果。

总结与展望

本文开发了一种新型的Kaolin/CNTs/PAM水凝胶（KCAH），结合了高效的太阳能界面蒸发和重金属离子吸附性能。该水凝胶通过构建多维结构增强了水的传输能力，并优化了离子交换通道，有效解决了水蒸发过程中重金属离子难以去除的问题。实验结果显示，KCAH在光照下能够实现高效的水蒸发，并同时去除水中的重金属离子，具有广泛的实际应用前景。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129243

来源：环材有料