第一作者：Li, Zheng

通訊作者：徐景坤 周仲魁

通訊單位：東華理工大學 江西科技師范大學

論文DOI：10.1016/j.seppur.2024.129243

研究背景

全球淡水資源短缺已成為威脅生態系統穩定和人類健康的嚴重問題，隨著全球人口的不斷增長、城市化進程的加快以及氣候變化的加劇，這一問題日益嚴重。傳統的水凈化方法如反滲透膜分離、熱蒸餾和催化降解，雖然有效，但由于能耗高、系統復雜，使得這些技術難以大規模應用。在此背景下，太陽能水凈化技術因其依賴于太陽能這一可再生、低成本的能源，展現出了廣泛的應用前景。太陽能界面蒸發技術通過將捕獲的太陽能轉化為熱能，進而引發蒸發過程，達到從污染水中分離純凈水的效果。

然而，目前的研究主要集中于利用太陽能進行水蒸發和冷凝來收集純凈水，而對蒸發后留下的濃縮廢水的處理問題常常被忽視。特別是在工業廢水中，如化學制造和冶金行業產生的大量重金屬含量廢水，如果不加以處理，可能會對水質和人類健康造成嚴重威脅。因此，在太陽能水凈化技術中，如何有效處理這些廢水中的重金屬離子已成為亟待解決的關鍵問題。

內容簡介

本文提出了一種新型的基于高嶺土、碳納米管（CNTs）和聚丙烯酰胺（PAM）組成的水凝膠（KCAH），用于高效的太陽能界面蒸發和重金屬離子吸附。KCAH通過構建多孔網絡結構，優化了水的傳輸通道，并提高了離子交換吸附效率。通過引入具有廣泛吸收和光熱轉換特性的碳納米管，水凝膠蒸發器實現了跨越整個光譜的99.8%的吸收率，并在標準太陽光照下，蒸發速率達到了2.99 kg/m2/h。此外，在光熱效應的作用下，KCAH還保持了Mn2?吸附能力，并表現出優異的穩定性。

在室外測試中，KCAH的每日水生產量達到了4.85 kg/m2，顯示了其高效的蒸發性能和優異的吸附能力，特別適用于處理含有重金屬離子的工業廢水。KCAH不僅能夠高效蒸發水，還可以同時去除水中的重金屬離子，使其成為太陽能水凈化領域中的一種有前途的選擇。

圖文導讀

該圖展示了KCAH的工作原理，說明了碳納米管如何將光能轉化為熱能以加速水的蒸發，同時展示了高嶺土吸附水中重金屬離子的過程。這張圖主要反映了水凝膠在光熱轉換和離子吸附中的協同作用。

這一組圖像通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散光譜（EDS）分析，展示了水凝膠內部的多孔網絡結構，以及碳、氮、鋁和硅等元素在材料中的分布情況。這張圖反映了KCAH的高孔隙率和活性位點分布，為其高效吸附重金屬離子提供了結構基礎。

該圖展示了KCAH在250-2500 nm波長范圍內的光吸收性能，以及在太陽光照射下水凝膠的表面溫度變化情況，說明了KCAH在吸收太陽能并轉化為熱能方面的高效表現。此外，圖中還展示了水凝膠的接觸角，表明其優越的親水性。這張圖反映了水凝膠在光熱轉換效率和溶脹性能方面的表現。

該圖通過記錄水在光照下的質量變化，評估了KCAH的蒸發速率和效率。結果顯示，KCAH在不同光照強度下的蒸發速率穩定且高效，尤其是在1個太陽（標準光照強度）下，蒸發速率達到2.99 kg/m2/h。這張圖反映了KCAH在水蒸發過程中表現出的高效蒸發性能。

該圖展示了KCAH在黑暗和光照條件下對重金屬離子（如Mn2?、Cr3?、Cu2?和Ni2?）的吸附能力，并比較了光照對吸附性能的影響。結果表明，光照下的吸附效率顯著高于黑暗環境。這張圖反映了光熱效應對離子吸附過程的加速作用，進一步驗證了KCAH的協同蒸發和吸附功能。

該圖展示了KCAH在實際太陽光下的凈化能力，包括凈化設備設計、實驗中的太陽強度監控和收集的純凈水量。測試結果表明，KCAH在室外環境下能夠穩定地產生純凈水，蒸發速率達到4.85 kg/m2/d，且蒸發后的水質符合WHO的飲用水標準。這張圖反映了KCAH在實際應用中的太陽能凈水能力和重金屬去除效果。

總結與展望

本文開發了一種新型的Kaolin/CNTs/PAM水凝膠（KCAH），結合了高效的太陽能界面蒸發和重金屬離子吸附性能。該水凝膠通過構建多維結構增強了水的傳輸能力，并優化了離子交換通道，有效解決了水蒸發過程中重金屬離子難以去除的問題。實驗結果顯示，KCAH在光照下能夠實現高效的水蒸發，并同時去除水中的重金屬離子，具有廣泛的實際應用前景。

文獻鏈接：

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

來源：環材有料