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第一作者：张赫（成都理工大学）
通讯作者：李小可副教授（成都理工大学）
通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院、西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室
DOI：https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.116821
成果简介
成都理工大学李小可课题组在期刊《Desalination》发表了题为“ The g-C3N4 decorated carbon aerogel with integrated solar steam generation and photocatalysis for effective desalination and water purification” 的研究论文。采用水热合成法制备了由光催化剂g-C 3N 4 修饰的新型rGO/MWCNTs 气凝胶（GMA ）。实验研究了其在海水淡化、有机染料废水处理、含氯化锂工业废水浓缩等方面的性能，并探讨了SSG 与光催化耦合的机理。
研究背景
尽管太阳能界面光蒸发（SSG ）技术在海水淡化方面已显示出良好的优势，但利用SSG 技术处理废水中的有机污染物仍是一项挑战。此外，有机污染物的存在往往会阻碍蒸发材料的功效，从而限制了其在高盐度废水脱盐中的实际应用。为解决这一问题，有人提出了一种结合光蒸发和光催化的协同方法。为此，本研究采用水热合成法制备了由光催化剂g-C 3N 4 修饰的新型rGO/MWCNTs 气凝胶 (GMA) ，用于非常规水体的综合处理。在1 kW ⋅m – 2 的太阳辐射条件下，GMA 的蒸发率为2.07 kg ⋅m – 2 ⋅h – 1 ，光热转换效率高达92.7% 。淡化后的海水和苦咸水中废金属离子的去除率超过98% 。此外，首次将气凝胶应用于氯化锂废水的蒸发浓缩，实现了氯化锂废水浓度由700 mg/L 降至5.18 g/L 。归因于g-C 3N 4 和rGO 的协同光催化作用，2 种典型染料RhB 和TB 催化降解率分别达到91.6% 和87.9% 。本研究揭示了GMA 对盐废水和有机染料具有优异脱盐和降污能力，并为一些高含盐量废水的蒸发和浓缩提供了一种新的途径。
结果讨论
图1 (a) GMA的数码图像；rGO气凝胶 (b，c) 和GMA (d，e)的SEM图像；(f) GO、MWCNTs和GMA的拟合拉曼光谱；(g) GO和GMA的傅立叶变换红外光谱；(h) GO和GMA的XRD测试。
图2 蒸发性能测试：(a)在1个太阳下水的质量损失；(b)气凝胶的蒸发速率和能量效率。
图3 GMA的太阳能海水淡化性能。(a) 不同浓度盐水的质量损失；(b) 不同盐水样品的蒸发率和TDS；(c) 实际海水中离子的浓度变化；(d) GMA的循环测试；(e) 耐盐测试 (100 wt.‰盐水）。
如图3 (a) 所示，4 种浓度的盐水样品蒸发过程保持稳定，蒸发速率并没有随着盐浓度的增加而大幅度降低，分别达到2.04 (8 wt.‰) 、2.02 (35 wt.‰) 、1.97 (50 wt.‰) 和1.92 kg ⋅m – 2 ⋅h – 1 (100 wt.‰) ，与纯水2.07 kg ⋅m – 2 ⋅h – 1 的蒸发速率接近。这一结果表明GMA 具有很强的耐盐性，可以在高盐度海水中稳定工作，其原因主要有以下几个方面：
(1) 气凝胶材料可以保留大量的水分。尽管在蒸发过程中水分从蒸发表面大量流失，但GMA 可以不断地从下面的水中向凝胶表面补充水分。这种能力有助于在蒸发器内保持相对稳定的盐浓度。
(2) GMA 具有微米级的大孔隙，是良好的水流通道。大孔隙避免了盐颗粒的堵塞，减少了盐的积累，从而提高了蒸发性能。
图4 (a) 苦咸水离子浓度变化；(b) 氯化锂废水处理前后浓度变化及浓缩速率。
氯化锂废水的蒸发浓缩一直是盐湖提锂方向的难题。而以往的蒸发浓缩技术通常需要大型设备，无疑增加了成本。迄今为止，关于气凝胶太阳能蒸汽发电技术在海水蒸发淡化处理中的应用研究已有报道。但是，在氯化锂废水蒸发浓缩方面的应用还没有相关研究。这是因为氯化锂盐溶液中含有较多的杂质盐离子，在蒸发浓缩过程中可能会造成凝胶孔隙堵塞。GMA 具有微米级多孔结构，可快速传水，加速盐交换，避免孔隙堵塞。因此，准备了浓度为700 mg/L 左右的氯化锂废液进行蒸发浓缩测试，并用ICP-OES 跟踪Li + 的浓度变化。如图4 （b ）所示，氯化锂废水从700 mg/L 浓缩到5.18 g/L ，浓缩速率为1.91 kg ⋅m – 2 ⋅h – 1 ，与盐湖卤水中氯化锂蒸发浓缩的前端过程（700 mg/L 到5 g/L ）一致。以上结果表明，GMA 可在高盐度废水中稳定运行，为废水蒸发浓缩工艺提供了新的方向。
图5 光催化降解实验：(a) TB和RhB催化前后溶液颜色的比较；(b) TB和RhB的归一化浓度。
图6 g-C3N4和rGO协同光催化降解的机理。
工业废水中含有大量的有机物，这些有机物会与水蒸气同时蒸发并凝结在收集水中，因此单一的 SSG 无法获得较高的去除率。 g-C3N4 作为一种二维半导体材料，具有窄带隙（约 2.7eV ），在可见光范围内具有优异的催化性能。但是纯 g-C3N4 光催化剂存在比表面积小、光生载流子复合速度快等缺陷。在气凝胶中掺杂 g-C3N4 后， g-C3N4 与 rGO 之间的协同效应可以提高比表面积，诱导光生电子迁移，减少光生载流子络合，提高光催化性能。为此，将 RhB 和 TB 作为典型的染料污染物来评价 GMA 的光降解性能。随着光催化的进行，两种染料的颜色逐渐明显变浅 ( 图 5(a)) ，说明 GMA 对这两种染料有一定的降解作用。此外，为了进一步研究 GMA 的光催化性能，采用紫外可见分光光度计对染料的吸光度进行定量分析。图 5(b) 显示了归一化浓度 (C/C0) 随时间的变化。首先，在 3 h 的暗反应过程中，两种染料的吸附量超过 40% ，说明 GMA 能够吸附有机污染物并到达催化活性位点，从而提高光催化性能。 RhB 和 TB 的催化降解率分别达到 91.6% 和 87.9% ，这归功于 g-C3N4 和 rGO 的协同光催化作用。
结论
开发了一种具有高效光蒸发和光催化性能的多功能废水处理气凝胶（GMA），用于非常规水的处理。本文的主要结论如下：
(1) 在一个太阳光强度下，GMA的蒸发率高达2.07 kg⋅m- 2⋅h- 1，光热转换效率达到92.7%。
(2) 海水和苦咸水经GMA处理后，废金属离子浓度明显降低，TDS值达到WHO和EPA标准。此外，氯化锂废水的蒸发量和浓度从700 mg/L降至5 mg/L。
(3) GMA对有机染料的催化降解率达到87%以上，这得益于g-C3N4与rGO的协同耦合效应。
作者介绍
第一作者：
张赫，成都理工大学材料与化学化工学院2021级硕士研究生，邮箱：hezhang0801@163.com
通讯作者：
李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究，截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文30余篇，总他引次数超过500次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文。邮箱：xiaokeli319@126.com
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