山東第一醫科大學李晨蔚&丁美春Carbon Energy：用于高濃度鹽水零排放脫鹽的三維螺旋狀石墨烯氣凝膠

稀、飯 4個月前 (05-20) 1425瀏覽

01??【科學背景】

淡水資源的短缺已成為21世紀全球亟待解決的重大挑戰。雖然近75%的地球表面被水覆蓋，但其中約97%是海水。盡管諸如反滲透法等海水淡化技術為應對這一問題提供了重要途徑，但這些技術需要消耗大量的化石燃料，同時產生大量濃廢鹽水，不可避免地給生態環境帶來了潛在的威脅。近年來，太陽能界面蒸發技術憑借其高效太陽能轉換效率和低碳環保特性，被廣泛認為是最有前景的淡水生產技術之一。然而，太陽能蒸發器在海水淡化過程中面臨著鹽分結晶問題的困擾，沉積在太陽能蒸發器表面的鹽層不僅嚴重影響了太陽光的吸收，降低了光熱轉換效率，而且還阻礙了鹽水的運輸，最終導致蒸發性能顯著下降，這嚴重限制其使用壽命。因此，開發一種能夠高效、連續處理高濃度鹽水，并實現零液體排放脫鹽的太陽能蒸發器，對于緩解全球淡水資源短缺和環境污染問題具有至關重要的意義。

02??【成果簡介】

面對以上挑戰，山東第一醫科大學李晨蔚教授和丁美春副教授提出了一種創新策略，通過簡單且環保的太陽光還原和常壓干燥技術，成功制備出3D螺旋狀石墨烯氣凝膠，作為高效太陽能蒸發器。該氣凝膠在接近飽和的鹽水中表現出卓越的蒸發性能、鹽分收集能力以及零液體排放特性。石墨烯氣凝膠獨特的3D螺旋結構設計不僅優化了能量回收過程，而且促進了鹽水的徑向輸送和鹽分的定向結晶。在一個太陽光的照射下，該氣凝膠展現出高達9.05 kg m-2?h-1的平均蒸發速率。此外，其外表面形成的定向鹽結晶顯著擴大了蒸發面積，從而實現了2.92 kg m-2?h-1的超高鹽收集速率。更重要的是，即使在接近飽和（25 wt%）的高濃度鹽水條件下，3D螺旋狀石墨烯氣凝膠仍能實現零液體排放脫鹽。其可拆卸的外層設計使得鹽分收集變得簡便高效，使其可以長時間（長達96小時）處理高濃度鹽水。在室外測試中，基于3D螺旋狀石墨烯氣凝膠的淡水收集裝置表現出創紀錄的3.14 kg m-2?h-1的產水速率，這充分證明了其在實際應用中的巨大潛力。這項研究不僅展示了一種新穎且環保的制備策略，并為推動高性能和低成本太陽能蒸發器的研發和應用提供了重要的科學依據。

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03 ?【文章簡介】

近日，該研究成果于山東第一醫科大學李晨蔚教授團隊以?“Highly efficient three-dimensional solar evaporator for zero liquid discharge desalination of high-salinity brine”為題發表在國際知名學術期刊《Carbon Energy》上。山東第一醫科大學丁美春教授為該論文第一作者。山東第一醫科大學李晨蔚教授為本文的唯一通訊作者。山東第一醫科大學為本文第一完成單位。

04 ?【圖文解析】

圖1.?(A) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠太陽能蒸發器的示意圖；(B) 通過定向鹽結晶實現高效太陽能蒸發和鹽收集的示意圖。①能量回收；②三維供水；③鹽水徑向輸送；④定向鹽結晶；⑤環境能量獲取。

圖2.?(A) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠的制備過程；(B-D) 分別是pMF、GO/CNCs膜、GF的SEM圖像；(E) XRD譜圖；(F) XPS譜圖；(G) Raman譜圖。

圖3. (A) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠能量回收示意圖，通過獨特的三維螺旋結構，實現能量的高效回收與利用；(B) UV-vis-NIR反射光譜；(C) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠與GF蒸發水速率對比；(D) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠與GF在25 wt%鹽水中連續48h脫鹽試驗的蒸發速率對比；(E) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠連續脫鹽實驗的照片；3D螺旋狀石墨烯氣凝膠在連續48小時脫鹽實驗后的俯視圖(F)和水/鹽完全分離圖片(H)；3D螺旋狀石墨烯氣凝膠與其他已報道的太陽能蒸發器的蒸發性能(G)和鹽收集性能(I)的比較。

圖4. 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠蒸發過程的鹽濃度(A)和流體速度(B)的COMSOL模擬；(C) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠定向結晶示意圖；(D) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠在連續48小時脫鹽過程中的照片；(E) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠具有高速蒸發的4個因素：①能量回收；②三維供水；③大結晶面積；④有效蒸發面積增加。(F) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠表面鹽層照片及其紅外熱成像；(G) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠周圍掉落鹽的照片及其紅外熱成像。

圖5.?(A) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠在25 wt%的鹽水中連續96h脫鹽實驗的蒸發速率。頂部和底部的照片分別是兩個連續48小時的循環脫鹽實驗的圖片。(B) 基于3D螺旋狀石墨烯氣凝膠構建淡水收集裝置用于室外實驗；(C) 室外實驗的環境條件；(D) 3D螺旋狀石墨烯氣凝膠的產水性能與其他文獻的對比；(E) 脫鹽前后Na+的濃度對比；(F) 真實海水脫鹽前后四種主要離子濃度的對比。

 

文章信息：

Meichun?Ding, Demin?Zhao, Panpan?Feng, Baolei?Wang, Zhenying?Duan, Rui?Wei, Yuxi?Zhao, Chen-Yang?Liu, Chenwei?Li*,?Highly efficient three‐dimensional solar evaporator for zero liquid discharge desalination of high‐salinity brine, Carbon Energy. 2024;e548.

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/cey2.548

 

作者簡介：

丁美春，山東第一醫科大學化學與制藥工程學院副教授。2015年7月獲中國科學院化學研究所博士學位，師從張軍研究員。2021年9月加入山東第一醫科大學，入駐濟南校區醫學科技創新中心，并加入“石墨烯功能復合材料”研究團隊。研究方向為石墨烯復合材料在醫療廢水處理等方面的應用、纖維素基水凝膠的制備及生物醫用研究。以第一作者或通訊作者在Advanced Science、Carbon Energy、Carbohydrate Polymers、Cellulose等期刊發表SCI高水平論文13篇，授權發明專利2項。

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李晨蔚，山東第一醫科大學化學與制藥工程學院教授/博士生導師，泰山學者青年專家，濟南C類人才（省級領軍人才）。2016年博士畢業于中科院化學所。2021年加入山東第一醫科大學，入駐濟南校區醫學科技創新中心，并組建“石墨烯復合功能材料”研究團隊。目前從事主要研究高力學性能石墨烯氣凝膠的制備及其在太陽能海水淡化、醫療廢水處理、儲能、電催化、生物醫用等領域的應用。近年來，以第一作者和通訊作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等國際知名期刊上發表SCI論文30余篇，并主持多項重要科研項目。目前擔任山東省國際人才交流協會醫學人才分會委員、Carbon Energy、Exploration、Nano Materials Science等期刊的青年編委。團隊長期招聘副教授、博士后，有意者可將簡歷發至郵箱：lichenwei@iccas.ac.cn。

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