《Separation and Purification Technology》：Aerogel-based evaporator for simultaneous seawater desalination and VOCs removal in oily wastewater
作者：闵音|陈丽华|何彦宇|陈少鹏|郑文宇|何启梅格
研究机构：国家民族事务委员会环保复合材料重点实验室、甘肃省生物质功能复合材料工程技术研究中心、甘肃省环保复合材料与生物质应用重点实验室、西北民族大学化学工程学院表面与界面化学基础科学研究中心、实验教学部，兰州730030，中国
摘要
太阳能驱动的界面蒸发技术在处理含油废水方面具有巨大潜力。传统蒸发器可能因挥发性有机化合物（VOCs）的释放而堵塞。我们开发了一种新型蒸发器，结合了油水界面蒸发和VOCs的光催化去除技术。在使用模拟海水、含油废水、苯酚（PNP）和对硝基苯酚（PhOH）污染水的实验中，评估了水的蒸发效率和VOCs的降解情况。气凝胶表面的温度梯度与界面蒸发和光催化作用相结合，提高了蒸发效率。改性后的油性表面防止了油块的形成，而光催化涂层有效去除了VOCs并增强了热调节能力。在1 kW/m2的太阳辐照度下，O-PPy/PTh-PI/MXene气凝胶处理含油废水时，蒸发速率为1.37 kg/m2·h?1，蒸发效率为89.75%。对于受PNP和PhOH污染的源水，界面蒸发脱盐处理的总有机碳（TOC）去除率超过了98%。在实际阳光条件下，扩展的气凝胶蒸发器阵列每天可产生约9.21 kg的纯净水。这一成功案例凸显了该蒸发器在处理含油废水方面的高效潜力，展示了其广泛的应用前景。
引言
随着人口和工业部门的持续扩张，水资源污染和水资源获取受限等问题日益突出[1]、[2]、[3]。太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）技术被认为是一种能提高能源效率和可持续性的海水淡化方法[3]、[4]，在饮用水生产方面具有显著优势。传统的热海水淡化工艺（如反渗透、蒸馏和电渗析）能耗较高。然而，SDIE技术可以通过光热材料将阳光转化为热能，是传统能源的理想替代方案[5]、[6]、[7]。特别是在受灾地区和偏远地区，这种提供清洁水的方法最具前景，因为它完全依赖阳光，成本效益高且易于管理[8]。近年来，SDIE技术在光热转换效率[9]、[10]、[11]、盐分管理[12]、[13]和离子去除[14]、[15]方面取得了良好进展，有效提高了蒸发速率和运行稳定性[18]、[19]、[20]。然而，大多数报道的太阳能蒸发器都是为海水淡化设计的，只有少数研究关注废水处理，例如含油废水[21]、[22]、[23]。例如，Seth B. Darling及其同事开发了一种创新方法，利用太阳能和环境条件来提高乳液分离的蒸发效率。他们的创新包括使用悬浮膜蒸发器，将太阳能蒸发与油水乳液分离相结合[24]。Chen等人开发了一种由O-KFs-MXene组成的气凝胶，具有优异的超亲水性和疏油性。这种创新材料将吸光MXene集成到木棉纤维气凝胶中，在海水淡化、废水净化和含油水处理方面展现出巨大潜力[25]。然而，上述研究的重点主要是蒸发器在含石油污染海水中的淡化性能，尚未具备从水中去除VOCs的能力[26]、[27]。在界面蒸发过程中，含油废水中的VOCs会与水一起蒸发，甚至可能在蒸馏水中积累。这种积累不仅对人类健康构成威胁，还严重阻碍了太阳能驱动界面蒸发的可行性[7]、[28]、[29]。因此，有必要研究一种简单而高效的技术，以实现海水淡化和从含油废水中提取VOCs的同时进行。
近年来，研究人员越来越关注利用太阳能促进水的蒸发以实现淡化目的，同时去除VOCs[32]、[33]、[34]。Li等人[35]使用表面活性剂抑制酚类化合物进入纯净水。加入十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）后，酚含量减少了41%。此外，在1太阳强度下，水蒸气产生速率恢复到1.30 kg/m2·h?1。Song等人[36]开发了一种具有光热和光催化特性的创新膜，以增强太阳能蒸馏过程中的VOCs去除效果。Deng等人[37]开发了一种使用掺杂TiO?的Flammulina炭化物的技术，用于同时实现太阳能蒸发和VOCs去除。然而，同时实现高效蒸发性能和优异的VOCs去除仍然具有挑战性[38]、[39]。此外，还需要考虑在实际水环境中实施蒸发系统的可行性[40]。
MXene是一种具有二维结构的新兴材料，在热能存储和传输应用中表现出显著优势[41]。得益于局部表面等离子体共振现象，MXene具有更强的吸光能力。此外，MXene在转换太阳能方面表现出优异的效率，并具有出色的热导率[42]和宽广的吸收光谱覆盖范围[43]，这种材料在提高太阳能热转换能力方面具有巨大潜力[44]、[45]。然而，MXene的自粘性有限，且硬度较高，这给自组装和构建耐用的三维宏观结构带来了挑战[46]。因此，它通常与其他物质结合使用以制备复合材料。与其他聚合物相比，聚酰亚胺（PI）具有优异的机械性能和热稳定性，广泛用于制造强度更高的聚合物气凝胶[47]。在这项研究中，通过增强PI与MXene之间的界面并采用径向冰模板策略，制备了具有径向结构的PI/MXene气凝胶基底[48]。这种独特的基底同时具有垂直和径向孔隙性[49]。利用温度梯度以及PI聚合物和MXene片层之间的强界面结合，制备出了具有分层结构的宏观气凝胶，增强了机械强度和垂直热导率[50]、[51]。此外，开发能够同时实现高效光热转换和VOCs去除的多功能光热材料至关重要。目前，用于光热转换的材料主要分为碳基材料、半导体、聚合物和含有金属纳米颗粒的材料[52]、[53]。半导体材料的实际应用受到制备过程昂贵、大规模生产困难以及长期不稳定的限制[54]。与替代材料不同，导电聚合物（如聚苯胺（PPy）、聚吡咯（PPy）和聚噻吩（PTh）在暴露于可见光时可以作为光敏剂并表现出光催化活性[53]、[54]、[55]。选择PPy和PTh是基于它们的合成简便性、热稳定性和协同效应[58]。考虑到PPy和PTh的光学带隙在3.6–4.0 eV范围内，我们的目标是通过共聚改性初始寡聚物的带隙，以提高光催化性能[59]、[60]。
因此，针对上述需求，我们在研究中开发了一种由PI/MXene气凝胶和PPy/PTh光催化涂层组成的太阳能驱动界面蒸发器。此外，我们还调整了该系统以分离油和水，从而同时实现海水淡化和VOCs去除。为了评估PPy/PTh-PI/MXene在处理含油废水中的性能，我们在不同浓度的十六烷下比较了界面蒸发效率和速率。此外，使用PNP和PhOH作为代表性污染物来评估它们去除VOCs的效果。结果表明，当PPy/PTh-PI/MXene气凝胶浸入含油浓度为10 wt%的废水中时，蒸发速率为1.37 kg/m2·h?1，在1 kW/m2的太阳辐照度下，蒸发效率为89.75%。此外，经过界面蒸发脱盐处理后，受PNP和PhOH污染的源水中的总有机碳（TOC）去除率超过了98%。最终，通过户外实验验证了PPy/PTh-PI/MXene的实际应用价值，每天可从含油废水中生产约9.21 kg的纯净水。这项研究提出了一种通过协同光催化高效去除含油废水中VOCs的新方法，推动了太阳能驱动界面蒸发技术在纯净水生产中的应用。
试剂
吡罗烷二酐（PMDA，96.0%）、4,4'-二氨基二苯醚（ODA，98.0%）、N-N-二甲基乙酰胺（DMAC，AR级，99.0%）、吡咯（C?H?N，99%）、噻吩（C?H?S，99%）、二甲基亚砜（DMSO，AR级，>99%）、FeCl?、盐酸（37 wt%）、乙醇（≥99.5%，无水级）、氯仿（CDCl?，≥99.5%）、水分含量≤0.005%、全氟辛酸钠（PFO，>97%）、氧化锌、Ti?AlC?和LiF均购自Aladdin Reagent Co., Ltd.；三乙胺（TEA，纯度≥99.0%也购自该公司。
设计策略
为了高效处理含油废水中的VOCs，我们创新设计了气凝胶蒸发器，以提高淡化效果并去除VOCs。PI/MXene气凝胶是整个设计的基础；MXene具有独特的二维层状结构、高电导率和亲水性，而PI则赋予气凝胶良好的机械性能和高比表面积。MXene纳米片均匀分散在PI前驱体溶液中。
结论
总结来说，我们开发了一种SDIE机制，通过使用O-PPy/PTh-PI/MXene气凝胶作为蒸发器，结合了催化和光热功能。在1 kW/m2的太阳辐照下，该系统在含油浓度为10 wt%的废水中，蒸发速率和效率分别为1.37 kg/m2·h?1和89.75%。其每天可产生约9.21 kg的纯净水。
未引用的参考文献
[56], [57]
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22365026）、中央政府指导地方科技发展专项基金（项目编号：24ZYQA026）、甘肃省支持产业计划项目（项目编号：2025CYZC-006）、甘肃省青年科学基金（项目编号：24JRRA160）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：319220240094、31920240125-06）的支持。
