【儀表網 研發快訊】隨著全球淡水資源的日益短缺，開發高效、經濟、環保的太陽能(新能源)驅動海水/苦咸水淡化技術成為解決水資源危機的重要途徑。傳統的海水淡化技術，如膜蒸餾和機械蒸汽壓縮，因設備復雜、投資成本高和能耗大等問題，限制了其廣泛應用。近年來，太陽能界面蒸發(SIE)技術因其高效、低成本和環境友好的特點，成為研究熱點。與此同時，入侵植物因其強大的競爭力和生態破壞性，已在全球范圍內侵占了約1300萬公頃的農業用地。傳統的入侵植物治理方法，如物理和化學手段，不僅成本高昂，還可能對環境造成二次污染。因此，如何有效治理入侵植物并實現其資源化利用，成為亟待解決的問題。
近日，中國科學院新疆理化技術研究所分離材料與技術團隊在入侵植物衍生碳點基太陽能界面蒸發材料領域取得新突破。研究人員以入侵植物Rhus typhina L.(火炬樹)的樹葉為碳源，通過水熱法合成了碳點(Carbon Dots ，CDs)——一種尺寸小于10 nm的類球形碳納米顆粒，并在高溫高壓條件下將其與與炭黑(Carbon Black ，CB)結合，形成CDs/CB復合材料。隨后，通過浸漬法將CDs/CB復合材料負載到玄武巖纖維織物(Basalt Fibers，BF)表面，成功開發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器中，進行蒸發性能測試。實驗結果表明，該蒸發器在1個太陽照射下實現了高達2.05 kg·m-2·h-1的蒸發速率和95.72%的光熱轉換效率，優于多數已報道的蒸發器(圖1)。
圖1 CDs/CB@BF蒸發器與已報道的蒸發器在蒸發速率及光熱轉換效率對比
該材料表面豐富的羥基和羧基等親水性官能團，顯著提升了水分子的吸附和運輸效率，降低了蒸發焓。此外，CDs/CB@BF蒸發器在多次循環測試中表現出優異的物理化學穩定性，蒸發速率無明顯下降，且在pH 為3至12廢水中其蒸發速率保持穩定性能。在模擬海水(鹽度3.5 wt%)中，CDs/CB@BF的蒸發速率仍可達1.81 kg·m-2·h-1在，處理后的水樣離子濃度顯著降低，達到世界衛生組織(WHO)的飲用水標準。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雜廢水。經濟性分析表明，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，蒸發效率與成本的比值達到87.23 g·h-1·$-1，具有顯著的經濟可行性。該研究為入侵植物的資源化利用提供了新思路，同時為太陽能驅動的海水淡化技術開發了高效、經濟、環保的光熱材料。未來，這種材料有望在大規模海水淡化、高鹽度廢水處理以及廢水凈化等領域得到廣泛應用，為解決全球水資源短缺問題提供重要技術支持。
相關研究成果近期發表在中國科學院一區期刊《分離純化技術》(Separation and Purification Technology)上，中國科學院新疆理化技術研究所碩士研究生何溁林為第一作者，分離材料與技術團隊的阿卜杜克熱木·喀迪爾研究員、邢路助理研究員和新疆農業大學阿馬努拉·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自然科學基金、國家外國專家項目、新疆維吾爾自治區天山英才人才培養計劃、中國科學院“西部之光”等項目的資助。
圖2：(A)CDs/CB@BF光熱織物的制備流程；(B)CDs/CB@BF光熱織物長期穩定性測試；(C)處理后水質離子濃度對比
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