Advanced Sustainable Systems:基于太阳能的Fe²⁺交联MXene气凝胶膜用于海水淡化与废水处理

随着人类社会的快速发展和工业化进程的不断推进,水污染和水资源短缺已成为世界各国普遍关注的问题。到目前为止,人们已开发出诸多从海水或废水中生产清洁水的方法。然而,这些方法大多依赖于高耗能和整体集中的规模化设备和设施,限制了它们在偏远地区和近海岛屿等区域的实际应用。近年来,基于太阳能的水蒸发装置正被应用于海水淡化和废水处理。在蒸发过程中,太阳能被界面蒸发层吸收并转化为热量,用于蒸发处理海水或废水。与太阳能直接加热海水或废水的方法相比,界面太阳能加热系统可以将热量聚集在水蒸发层,以有效用于蒸发水。尽管基于太阳能的水蒸发技术在海水淡化与废水净化方面具有广泛的应用前景,但如何高效利用太阳能以及提高太阳能蒸发水效率是关键。

近日,北京化工大学于中振教授与李晓锋教授团队采用金属离子凝胶法制备了具有亲水和多孔结构的光热转化水蒸发气凝胶膜材料,用于从海水或者废水中制备洁净水。作者选用二价铁离子作为絮凝剂,具有优异光热转换能力的过渡金属碳化物(MXene)作为光热转化材料,采用二价铁离子絮凝MXene纳米片层,然后通过真空抽滤、冷冻干燥等工艺制得具有多孔结构和亲水的二维气凝胶膜,用于高效太阳能水蒸发、海水淡化和废水净化。

图1. 多孔MXene气凝胶膜用于光热蒸发水的示意图

传统的二维太阳能水蒸发MXene膜材料,其内部密度较大,水分子须通过MXene片层间隙传输,易于导致供水量不足,不利于高效快速蒸发水。此外,传统的蒸发膜材料表面平滑,不利于太阳光吸收和水蒸发。

本研究采用亚铁离子引发MXene纳米片层絮凝、冷冻干燥的方法制备了具有粗糙表面、多孔结构和亲水的亚铁离子交联MXene气凝胶膜,用于太阳能蒸发水。由于亚铁离子的交联作用,MXene气凝胶膜在水中表现出良好结构稳定性,并保持了MXene高亲水性。与传统的真空过滤方法制得的致密MXene太阳能水蒸发膜相比,MXene气凝胶膜的粗糙表面和众多亲水微通道不仅有利于太阳能的有效吸收和利用,而且保证了水分从气凝胶膜底部迅速向上输送到蒸发表面。MXene气凝胶膜在1个和10个模拟太阳光强辐照下的蒸发效率分别为94.3%和91.7%,平均蒸发速率分别为1.67和14.52kg·m-2·h-1, 优于大多数MXene基太阳能水蒸汽生成装置。作为应用验证,该MXene气凝胶膜蒸发器可以高效淡化天然海水和纯化含有甲基橙和亚甲基蓝的有机废水,表现出高水蒸发效率和水纯化效果。

论文信息:

2D Ferrous Ion-Crosslinked Ti3C2Tx MXene Aerogel Evaporators for Efficient Solar Steam Generation

Xiao-Peng Li, Xiaofeng Li*, Heguo Li, Yue Zhao, Wei Li, Shouke Yan, Zhong-Zhen Yu*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100263

原文链接:https://doi.org/10.1002/adsu.202100263