《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Construction of a Sustainable Low-Cost Functional Layered Oil-Water Gel Interfacial Evaporator for Fracturing Flowback Fluid Treatment
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该研究设计了一种功能化层状油水凝胶太阳能蒸发器（FG-SWE），通过顶部的MXene光热层、中部的相变储热层和底部的多孔水输运层协同作用，实现高盐返排流体的低能耗蒸发处理。在标准海水条件下，FG-SWE的光热转换效率达95%以上，蒸发速率2.80 kg·m?2·h?1，并通过相变材料实现夜间持续蒸发，日处理量17 kg·m?2。经实际处理可将总溶解固体从8×10? mg·L?1降至125 mg·L?1，达到饮用水标准，并具备长期稳定性和抗污性。分隔符：
肖秀川|王军|何华梅|冯志成|段朝然|袁俊刚|刘娅
成都理工大学材料与环境工程学院，中国四川省成都市611730
摘要
高盐度压裂回流水处理成本高昂且能耗巨大，这成为限制页岩气开发的关键瓶颈。本研究开发了一种功能化的层状油水凝胶太阳能界面蒸发器（FG-SWE），旨在实现低能耗和零排放的高盐度压裂回流水处理。该蒸发器通过一步聚合反应制备而成，由三层功能层组成：顶层为MXene材料，中间层为12-羟基硬脂酸（HSA）基层，底层为多孔层，分别负责光吸收、热管理和水分传输。实验结果表明，在一太阳光照条件下，FG-SWE在10%标准盐度水中具有2.80 kg·m-2·h-1的蒸发速率和超过95%的光热转化效率；当蒸发界面的疏水面积比为30%时，该蒸发器能够在夜间持续蒸发，每日产水量达到17 kg·m-2。此外，FG-SWE有效处理了高盐度回流水，将其总溶解固体（TDS）含量从8×104 mg·L-1降低至<125 mg·L-1，符合饮用水标准。该蒸发器还具备优异的抗结垢性能和长期稳定性，在连续运行30天后仍保持90.7%的效率。这项研究为高盐度废水处理提供了有前景的技术，有助于促进页岩气的绿色开发和水资源的循环利用。
引言
页岩气作为一种高效的绿色能源和化学原料，是中国能源发展的重要资源[1][2]。目前，页岩气开发主要采用大规模水力压裂技术[3]。虽然这种技术显著提高了产量，但也带来了新的环境问题：不仅消耗大量淡水，还产生大量回流水[4]。据估计，每口井的页岩气生产需消耗约10,500至21,500立方米的水，其中90%用于水力压裂过程[5]。回流水中含有多种化学试剂，并与富含有机物的页岩直接接触，导致其TDS含量较高[6]。随着页岩气开发的不断扩大以及废水排放标准的日益严格，越来越多的研究致力于解决回流水处理问题或实现废水零排放，从而实现页岩气的可持续利用。然而，高效脱盐是制约压裂回流水处理的主要障碍[7]。常见的脱盐技术包括膜过滤、蒸汽压缩和离子交换[8]，但这些技术存在能耗高、成本高昂、易结垢和维护周期短等缺点[7][9]。界面光热蒸发技术是一种新型的脱盐方法，利用可再生能源驱动蒸发过程，将蒸发界面和热收集界面同时设置在液气界面[10][11]。然而，传统太阳能驱动的蒸发装置由于自然光散射较强，蒸发效率较低。近期提出的太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术在低光强条件下实现了约90%的蒸发效率[12][13]。优秀的太阳能驱动界面蒸发装置设计原则包括：（I）增强太阳能吸收以收集能量；（II）将转化的能量集中在少量水分子上[14][15][16]。其中，能够将太阳能有效转化为热能的材料至关重要；同时，充足的水分供应和最小的热损失对于实现高效蒸发至关重要。
凝胶材料具有较高的持水能力，可为蒸发过程提供充足的水源。Yu等人发现，提高凝胶的亲水性可改变其水状态并部分激活水分，从而以更低的能耗促进蒸发（低于传统蒸发方法的50%[17]）。但过度供水可能导致热量损失，降低蒸发前沿温度并减缓蒸发速率。研究表明，适当的表面润湿状态可提高蒸发效率[18][19]。表面润湿性的均匀性可调节水膜厚度，促进水分子逸出，从而加速蒸发。与仅对表面进行改性的方法相比，预改性能赋予材料整体功能性，确保长期使用的稳定性和耐久性，即使表面受损也能保持性能。目前关于调节蒸发表面亲水性/疏水性的预改性策略及其对蒸发性能影响的研究仍较为有限。
本研究设计了一种经过均匀预处理的蒸发凝胶，以调节表面润湿性。亲水性凝胶逐层构建，底层作为基础，中间层和顶层分别含有光热转化材料和热响应相变剂。随后通过一步聚合反应制备出功能性的油水凝胶太阳能界面蒸发器（FG-SWE），该蒸发器具有三层垂直连续排列的功能层，分别负责光吸收、热管理和水分传输。通过调整蒸发界面的油水比例，实现了热管理和质量传输之间的最佳平衡。评估了FG-SWE的性能，包括光热转化效率、蒸发速率和运行稳定性，并验证了其在实际回流水处理中的效果，证明了其实用价值。因此，这项研究开发了一种低成本、高稳定性的太阳能凝胶界面蒸发器，为低能耗处理高盐度回流水提供了高效可靠的解决方案。
化学试剂
聚vinyl alcohol（PVA，分子量约195,000）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMA）、十二烷基硫酸钠（SDS）、Pluronic F127、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、月桂基甲基丙烯酸酯（LMA）、2,2’-偶氮双(2-甲基丙胺)二盐酸盐（V50）、液体石蜡、12-羟基硬脂酸（HSA）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、Ti3AlC2 MAX相粉（400目）以及氟化锂（LiF）均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。盐酸（HCl，浓度37%）也用于实验。FG-SWE凝胶的制备与表征
FG-SWE多层凝胶蒸发器在横截面呈现出独特的三层结构：顶层（C1）为光热蒸发层，因含有吸光性MXene材料而呈均匀黑色；中间层（C2）为相变热存储层，呈乳白色；底层（C3）用于水分传输，透明。结论
为解决高盐度页岩气压裂回流水处理中实现零液体排放的难题，本研究通过一步聚合策略制备了FG-SWE凝胶，该凝胶具有三层垂直连续的结构：顶层负责高效光热转化，中间层兼具热存储和隔热功能，底层实现快速水分传输。这些功能层之间的协同作用作者贡献声明
肖秀川：撰写初稿、监督和概念构思。冯志成：数据分析与修改。何华梅：撰写与编辑。王军：方法学设计与数据分析。刘娅：项目管理和资金筹措。袁俊刚：实验设计。段朝然：数据整理。利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。致谢
本研究得到了四川省油气领域应用化学重点实验室开放项目（YQKF202220）、中国-中东欧国家联合教育项目（编号2022219）以及成都理工大学项目（编号2023RC002）的支持。
