隨著全球淡水資源的日益短缺，開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的太陽(yáng)能(新能源)驅(qū)動(dòng)海水/苦咸水淡化技術(shù)成為解決水資源危機(jī)的重要途徑。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)，如膜蒸餾和機(jī)械蒸汽壓縮，因設(shè)備復(fù)雜、投資成本高和能耗大等問(wèn)題，限制了其廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)(SIE)技術(shù)因其高效、低成本和環(huán)境友好的特點(diǎn)，成為研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，入侵植物因其強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力和生態(tài)破壞性，已在全球范圍內(nèi)侵占了約1300萬(wàn)公頃的農(nóng)業(yè)用地。傳統(tǒng)的入侵植物治理方法，如物理和化學(xué)手段，不僅成本高昂，還可能對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此，如何有效治理入侵植物并實(shí)現(xiàn)其資源化利用，成為亟待解決的問(wèn)題。
近日，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所分離材料與技術(shù)團(tuán)隊(duì)在入侵植物衍生碳點(diǎn)基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)材料領(lǐng)域取得新突破。研究人員以入侵植物Rhus typhina L.(火炬樹(shù))的樹(shù)葉為碳源，通過(guò)水熱法合成了碳點(diǎn)(Carbon Dots ，CDs)——一種尺寸小于10 nm的類(lèi)球形碳納米顆粒，并在高溫高壓條件下將其與與炭黑(Carbon Black ，CB)結(jié)合，形成CDs/CB復(fù)合材料。隨后，通過(guò)浸漬法將CDs/CB復(fù)合材料負(fù)載到玄武巖纖維織物(Basalt Fibers，BF)表面，成功開(kāi)發(fā)出一種新型二維光熱織物(CDs/CB@BF)，將其作為光熱層與輸水層組裝到蒸發(fā)器中，進(jìn)行蒸發(fā)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)照射下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2.05 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和95.72%的光熱轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的蒸發(fā)器(圖1)。
圖1? CDs/CB@BF蒸發(fā)器與已報(bào)道的蒸發(fā)器在蒸發(fā)速率及光熱轉(zhuǎn)換效率對(duì)比
該材料表面豐富的羥基和羧基等親水性官能團(tuán)，顯著提升了水分子的吸附和運(yùn)輸效率，降低了蒸發(fā)焓。此外，CDs/CB@BF蒸發(fā)器在多次循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性，蒸發(fā)速率無(wú)明顯下降，且在pH 為3至12廢水中其蒸發(fā)速率保持穩(wěn)定性能。在模擬海水(鹽度3.5 wt%)中，CDs/CB@BF的蒸發(fā)速率仍可達(dá)1.81 kg·m-2·h-1在，處理后的水樣離子濃度顯著降低，達(dá)到世界衛(wèi)生組織(WHO)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。并且該材料不僅能夠高效去除海水中的鹽分，還能有效凈化含油乳液和染料廢水等復(fù)雜廢水。經(jīng)濟(jì)性分析表明，CDs/CB@BF的制備成本低廉，每平方米材料的成本僅為20.75美元，蒸發(fā)效率與成本的比值達(dá)到87.23 g·h-1·$-1，具有顯著的經(jīng)濟(jì)可行性。該研究為入侵植物的資源化利用提供了新思路，同時(shí)為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化技術(shù)開(kāi)發(fā)了高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的光熱材料。未來(lái)，這種材料有望在大規(guī)模海水淡化、高鹽度廢水處理以及廢水凈化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為解決全球水資源短缺問(wèn)題提供重要技術(shù)支持。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在中國(guó)科學(xué)院一區(qū)期刊《分離純化技術(shù)》(Separation and Purification Technology)上，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所碩士研究生何溁林為第一作者，分離材料與技術(shù)團(tuán)隊(duì)的阿卜杜克熱木·喀迪爾研究員、邢路助理研究員和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)阿馬努拉·依明尼亞孜為共同通訊作者。該研究得到了新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金、國(guó)家外國(guó)專(zhuān)家項(xiàng)目、新疆維吾爾自治區(qū)天山英才人才培養(yǎng)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”等項(xiàng)目的資助。
圖2：(A)CDs/CB@BF光熱織物的制備流程；(B)CDs/CB@BF光熱織物長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試；(C)處理后水質(zhì)離子濃度對(duì)比
