ACS ES&T Engineering | 生物质水凝胶太阳能驱动多功能蒸发器用于脱盐、去除挥发性有机化合物和灭菌

由于水资源分布不均和水环境恶化，淡水资源短缺已逐渐成为最紧迫的全球性问题。但目前的水净化技术，包括反渗透、膜蒸馏、电渗析等，都属于能源成本密集型技术，而且增加了温室气体排放的风险。将充足的太阳能资源与可利用水资源相结合的新型太阳能驱动界面蒸发技术，因其节能、无污染等优点近年来引起了广泛的关注。然而，在处理复杂的水源特别是富含大量挥发性有机物（VOC）的水体时，蒸馏水的质量往往得不到保证。此外，在太阳能蒸发净水过程中，微生物及其代谢物容易附着在蒸发器上，导致能量传递效率低，淡水产量低，蒸发器稳定性差。水凝胶是一种新兴的太阳能水净化材料，具有高度可调的三维亲水网络结构，可以通过降低蒸发焓来降低能耗。此外，与其他光热材料相比，碳基材料，特别是生物炭材料具有成本低、吸收性好和长期稳定性的独特优势，具有很大的太阳能蒸发应用潜力。

因此，山东大学环境科学与工程学院李倩教授团队构建了一个太阳能驱动的界面蒸发系统（SA/CCC/Cu²⁺），用于纯净水的生产。在该体系中，碳化羧甲基壳聚糖（CCC）加入到Cu²⁺交联的海藻酸钠（SA）水凝胶网络骨架中，PU海绵（PUs）作为载体加强结构力学性能。SA水凝胶可以高效地向受热区供水，而CCC优异的光热转化提供了光热响应，从而同时实现了光热蒸发和催化降解的耦合。在1.0个太阳下，SA/CCC/Cu²⁺蒸发器的蒸发速率达到2.54 kg m^-2 h^-1，蒸馏水与含VOC的散装水的有效分离，苯酚去除率达96.77%，大肠杆菌在40分钟内灭活率达到100%。因此，本设计成功验证了蒸发脱盐-VOC去除-细菌灭活组合系统的可行性。

图1. SA/CCC/Cu²⁺太阳能蒸发器的表征分析

采用多种表征试验确定了SA/CCC/Cu²⁺蒸发器的典型形态和组成。扫描电镜（SEM）显示，PUs呈现蜂窝状多孔网络结构（图1a）。引入SA水凝胶后（图1b）， SA/CCC/Cu²⁺蒸发器内部的孔隙相互交错，增强了pu骨架结构的稳定性，有利于太阳蒸发过程中水分的快速连续输送。相应的能谱分析（EDS）结果表明，样品中所有元素的分散均匀，表明SA/CCC/Cu²⁺蒸发器的成功构建（图1b）。同时用XPS分析样品的元素组成，结果表明，SA/CCC/Cu²⁺体系中存在C、O、N、Cl和Cu元素，与EDS结果一致（图1c）。通过FTIR光谱分析SA/CCC/Cu²⁺蒸发器的表面官能团，表明SA成功加载到PUs中且CCC与SA官能团之间存在强相互作用（图1d）。

图2. SA/CCC/Cu²⁺太阳能蒸发器的光热转换性能

通过紫外-可见-近红外光谱法验证了CCC对蒸发器太阳能吸收利用的影响。与SA/Cu²⁺相比，SA/CCC/Cu²⁺在200~2500 nm宽光谱范围内的太阳总吸收效率从69.25%提高到90.21%，提高了20.97%（图2a）。随着CCC的加入，SA/CCC/Cu²⁺的光吸收效果逐渐趋于稳定，而且可以促进温度的快速升高，即CCC含量的增加增强了蒸发器的整体加热效果。当CCC浓度为0.3 wt%时，SA/CCC/Cu²⁺蒸发器温度最高，在5 分钟内从25.0℃迅速上升到39.8℃（图2b），40 分钟后稳定在47.5℃左右。不同光强下的升温速率进一步证明了SA/CCC/Cu²⁺水凝胶良好的光热效应（图2c-d），能够稳定有效地吸收太阳能并将其转化为热能。

图3. SA/CCC/Cu²⁺太阳能蒸发器的光热蒸发性能

太阳能驱动水蒸发测试表明，SA/Cu²⁺蒸发器的蒸汽生成量相对较低，而在SA/CCC/Cu²⁺蒸发器中，相同条件下产生的蒸汽量明显增加（图3a）。SA/CCC/Cu²⁺水凝胶的最大蒸发速率为2.54 kg m^-2 h^-1，光热效率为96.74%。高光照强度增加了水分子的动能，从而加速了蒸发过程（图3b）。过量的Cu²⁺占据了部分蒸发位置导致水分蒸发速率下降（图3c）。在3.5 wt% NaCl盐水中经过30个循环后，SA/CCC/Cu²⁺水凝胶太阳能蒸发水的效果始终保持在2.42 kg m^-2 h^-1，且太阳照射40 小时后，蒸发器表面仍无盐沉积（图3d）。不同水质中蒸发，SA/CCC/Cu²⁺具有良好的太阳驱动蒸发能力，有利于淡水的长期稳定蒸发和收集（图3d-e）。

图4. SA/CCC/Cu²⁺太阳能蒸发器的VOC去除性能

为验证SA/CCC/Cu²⁺水凝胶蒸发器对VOCs的去除能力，以10 mg L^-1苯酚溶液为源水，监测其浓度变化。在SA/CCC/Cu²⁺蒸发器中加入CCC后，冷凝淡水中苯酚含量在光热蒸发后逐渐降低，去除率可达96.77%（图4a）。蒸发器在高浓度下仍能有效去除VOCs（图4b）。此外，光强越高，水的蒸发效果越好，但苯酚在蒸发器中的吸附降解时间却相对较短，从而使得部分苯酚随水蒸气一起凝结，苯酚去除率逐渐下降。但光照达到2 kw m^-2时，SA/CCC/Cu²⁺的苯酚去除率12小时后仍能达到66.33%（图4c）。电子自旋共振（ESR）测试表明在阳光照射下蒸发器具有较高的活性氧生成能力来降解污染物（图4d-f）。

图5. SA/CCC/Cu²⁺太阳能蒸发器的光热灭菌性能

细菌在水体中的积累不仅阻碍了蒸发速率，而且导致水体污染和疾病传播。因此，在进行太阳能蒸发净水的同时，对蒸发器的杀菌性能提出了很高的要求，我们选择大肠杆菌作为模型微生物进行细菌灭活实验。SA/CCC/Cu²⁺蒸发器良好的灭菌效果是适宜的光热温度、光催化活性和Cu²⁺协同作用的结果。高温阻碍了细菌细胞的活性，影响了细菌的代谢功能，同时SA/CCC/Cu²⁺光催化产生ROS，Cu²⁺攻击细菌细胞膜，使细菌更容易被杀死（图5a-c）。随着灭菌时间的延长，大肠杆菌细胞不断失水，导致粒径减小，能量代谢系统受到破坏，导致酶活性迅速下降， 说明SA/CCC/Cu²⁺蒸发器对大肠杆菌具有良好的灭活性能（图5d-g）。

图6. SA/CCC/Cu²⁺太阳能蒸发器的实际应用潜能

以山东省青岛市收集的两种不同类型的真实水（海水和地表水）作为源水进行SA/CCC/Cu²⁺在实际环境中的应用潜力评价。经SA/CCC/Cu²⁺太阳蒸发处理后，海水和地表水中四种盐离子去除率均达99%以上（图6a-b），TOC分别下降了67.08%和74.11%（图6c），说明SA/CCC/Cu²⁺水凝胶具有良好的脱盐能力且能去除实际水中的大部分有机化合物。此外，有效蒸发面积可增加到0.09 m² (0.3 m*0.3 m)，大大增强了实际应用潜力（图6d）。以上结果表明，利用SA/CCC/Cu²⁺建立的太阳能界面水蒸发技术对于实际水体的淡化和水净化是可行和有效的。

综上所述，本研究快速合成了一种基于生物质水凝胶的简单、低成本光热蒸发器，可用于同步淡水生产和水净化。当光照强度为1 kW m^-2时，SA/CCC/Cu²⁺水凝胶蒸发器的蒸发速率为2.54 kg m^-2 h^-1。此外，典型VOC污染物苯酚的去除率高达96.77%，废水中常见细菌（大肠杆菌）也在40分钟内被完全灭活。SA/CCC/Cu²⁺蒸发器有效加快了光生载体的分离过程，产生的ROS提高了光催化活性，导致VOC氧化分解，细菌灭活。将太阳能驱动的界面水蒸发过程与光催化降解相结合，扩大了其在淡水生产中的实际应用范围，加快了废水处理进程。

相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，山东大学博士研究生安宁为文章的第一作者，李倩教授为通讯作者。