具有协同光热蒸发和光催化作用的双功能水凝胶蒸发器，用于可持续水处理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Bifunctional hydrogel evaporator with synergistic photothermal evaporation and photocatalysis for sustainable water treatment

该研究开发了一种双功能水凝胶蒸发器（PVA/APTES-Cu-Mn/H），通过原位配位聚合与表面氧化还原沉积MnO?结合物理针刺法制备垂直微通道结构，在1 sun照射下实现2.48 kg/m2·h的高蒸发率及94.83%能效，并能在20%盐水中保持稳定性能，同时通过Cu-Mn催化系统实现99%甲基蓝降解。这种集成光热蒸发与光催化降解的水凝胶材料为可持续净水提供了创新解决方案。

　　

陈新毅|张晨|阿图尔·卡瓦科-保罗|王洪波|苏静

江南大学纺织科学与工程系，中国江苏省无锡市214122

摘要

为了解决全球水资源短缺和污染问题，需要可持续且高效的技术。本研究提出了一种双功能水凝胶蒸发器（PVA/APTES-Cu-Mn/H），用于协同进行太阳能驱动的水处理。该蒸发器通过原位配位聚合和在聚乙烯醇（PVA）网络中沉积MnO₂来构建，并通过物理针刺法形成了垂直排列的微通道。这种设计实现了优异的阳光吸收、高效的水传输和蒸汽释放性能。在1太阳光照条件下，该蒸发器的蒸发速率为2.48 kg/m² h^-1，能量转化效率高达94.83%。此外，它还表现出显著的盐分排斥能力，在20 wt%的盐水中仍能保持稳定的性能。在1太阳光照下，掺入的Cu-Mn催化系统表现出优异的光催化活性，通过与H₂O₂的芬顿类反应降解了超过99%的亚甲蓝（MB）。户外实验验证了其在同时脱盐和污染物降解方面的有效性。这项工作通过将光热蒸发和光催化功能整合到一个水凝胶平台上，提供了一种创新的综合解决方案，以实现可持续的清洁水生产。

引言

全球水资源短缺和水污染已成为21世纪人类生存和发展的关键挑战[1]、[2]。人口增长、工业化加速以及气候变化的影响加剧了淡水供需之间的矛盾[3]、[4]、[5]。作为缓解淡水短缺的关键方法，海水淡化主要依赖于多级过滤和反渗透等传统技术[6]、[7]。然而，这些方法通常伴随着高能耗、较高的运营成本以及浓缩盐水的排放，可能导致二次污染[8]、[9]、[10]。同时，工业和日常生活活动产生的大量废水中含有多种结构稳定的有机污染物，如药物成分、合成染料、农药、化肥、表面活性剂、酚类化合物和硝基芳香化合物等新兴污染物[11]、[12]。这些新兴污染物不断在水体中积累，持续破坏水生生态平衡，并经常被沿海城市直接排放到海水中，导致二次污染，对水生生态安全和公共健康构成持续威胁。因此，开发高效、低碳和可持续的水处理技术引起了科学界的广泛关注。

太阳能因其清洁性、可再生性和广泛可用性而被认为是理想的能源解决方案，并在水处理技术（如光热蒸发和光催化降解）中显示出巨大潜力[13]、[14]、[15]。光催化能够在光照下氧化降解有机污染物，使其特别适用于太阳能驱动的水处理[16]、[17]、[18]。近年来，一类集吸附、分离和催化功能于一体的光催化水凝胶膜得到了快速发展，成为该领域的研究热点[19]、[20]。通过将高性能光催化纳米材料（如g-C?N?、MOFs）整合到水凝胶的三维亲水网络中，这些膜实现了结构和功能的协同增强：其多孔结构不仅提供了高效的水传输路径，提高了光热蒸发性能，还增强了污染物在表面的富集，从而为催化反应提供了丰富的活性位点[21]、[22]、[23]。在太阳能照射下，这些膜可以同时进行光热蒸发和光催化降解。一方面，高效的光热转换实现了局部加热，从而驱动界面水的蒸发，实现低能耗脱盐并减轻了传统膜技术中常见的污染问题；另一方面，光催化组分能够几乎无选择性地降解吸附在膜表面和孔隙中的有机污染物，实现深度水净化和膜自清洁[24]、[25]。然而，这些材料仍面临制造工艺复杂、蒸发速率低和机械稳定性不足等挑战，严重限制了其实际应用[26]、[27]、[28]。

为了克服这些限制，我们开发了一种集高效光热蒸发和光催化功能于一体的水凝胶，为实现同时生产淡水和降解污染物提供了可持续的途径。本研究采用了一种原位配位聚合策略：将具有漆酶样活性的含铜配位聚合物通过硅烷偶联反应整合到聚乙烯醇（PVA）水凝胶网络中。随后，通过氧化还原反应在凝胶表面原位生成MnO₂，并利用针刺法构建了垂直排列的通道，成功制备了PVA/APTES-Cu-Mn/H水凝胶。值得注意的是，针刺法能够快速且连续地在凝胶中形成垂直孔隙。这种方法不仅对整体结构的影响最小，缩短了制备时间，还消除了对昂贵和高能耗设备（如冷冻干燥机或高压反应器）的依赖。所得到的蒸发器表现出出色的光热和蒸发性能，在1太阳光照条件下，蒸发速率为2.48 kg/m² h^-1，日产淡水量为13.04 kg/m²。同时，掺入的Cu-Mn催化系统表现出优异的光催化活性，通过与H₂O₂的芬顿类反应降解了超过99%的亚甲蓝（MB）。对其在淡水生产和污染物降解方面的协同性能的系统性评估进一步证实了PVA/APTES-Cu-Mn/H在实际水处理应用中的潜力。本研究为复杂水环境问题的综合管理提供了创新的材料解决方案和理论基础。

材料

聚（乙烯醇）（PVA，聚合度：1700，水解度：99%）、氯化铜（CuCl₂·2H₂O）、高锰酸钾（KMnO₄）、过氧化氢水溶液（H₂O₂，30 wt%）和亚甲蓝均购自中国上海的中药化学试剂有限公司。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）购自中国上海的Titan Scientific有限公司。所有化学品均为分析级试剂，未经进一步纯化即可使用。

PVA/APTES-Cu-Mn/H的制备与表征

自浮式太阳能蒸发器的结构设计

本研究采用了一种原位配位聚合策略：首先通过硅烷偶联反应将具有漆酶样活性的含铜配位聚合物整合到PVA水凝胶网络中。随后，通过氧化还原反应在凝胶表面原位生成MnO₂，并通过物理针刺法构建了垂直排列的通道，最终成功制备了多孔复合水凝胶蒸发器。

结论

本研究通过原位配位聚合和MnO₂的表面氧化还原沉积，结合物理针刺法制备出了双功能多孔水凝胶蒸发器PVA/APTES-Cu-Mn/H。垂直通道的快速水传输和持续的盐分扩散循环使得PVA/APTES-Cu-Mn/H在1太阳光照条件下的蒸发速率为2.48 kg/m² h^-1

CRediT作者贡献声明

陈新毅：撰写——原始草稿、方法论、数据分析、概念构思。张晨：指导、实验研究、数据分析。王洪波：指导、资源提供。阿图尔·卡瓦科-保罗：指导、实验研究。苏静：撰写——审稿与编辑、指导、资源提供。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52003108）、创新人才科学培训计划（1065214012240180）和江苏省外国专家研讨会的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。