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资环所农业环境纳米材料团队在太阳光驱动处理农业废水研究方面取得进展

近日,资环所农业环境纳米材料团队与中科院苏州纳米所蔺洪振研究员团队等合作在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal(中科院一区,IF13.3)在线发表题为Highly Charged Hydrogel with Enhanced Donnan Exclusion toward Ammonium for Efficient Solar-driven Water Remediation”的研究论文。该论文探索了利用高电荷密度的致密水凝胶层(PCH)对NH4+Donnan排斥效应,在太阳能光热蒸发过程中对农业污水中的氨氮成分进行截留与分离,为发展低能耗的农业污水处理技术奠定基础。

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1 太阳能驱动荷电水凝胶层截留氨氮与水汽产生原理示意图

 

利用光热纳米材料光-热转换功能的太阳能水蒸发技术是一种低碳节能的水处理技术,在污水处理、海水淡化等领域展现出较好的应用前景。近年来,发展太阳能光热蒸发技术是相关水处理领域的热点。然而,当前对于太阳能光热蒸发材料的研究大多集中于海水淡化脱盐、苦碱水脱盐等水-盐分离体系,还不能很好的适应稍显复杂的水质环境。相比之下,大多数工农业污水水质成分更为复杂,也具有迫切的低碳、低能耗处理需求。除了含有不易挥发的盐分,这些污水里还往往伴随有易挥发性小分子污染物。其中,氨氮成分(NH4+)普遍存在于工农业污水中,在分子尺寸、化学性质方面都接近水分子,与水分子更加难以分离。然而,为了获得较大的水蒸发面积,光热蒸发材料往往具有多级微纳孔隙结构。在光热蒸发过程中,小分子氨氮也会随光热蒸发产生的水蒸汽一起逸出材料表面,无法有效进行分离去除。此前,为了抑制光热蒸发过程中的氨氮挥发,有研究者设计了具有氨氮响应性的有机光吸收层,当水体中存在氨氮成分时可以动态调整为低吸光材料,终止蒸发过程。然而要想扩大太阳能光热蒸发材料/技术在农业污水处理中的应用,有必要研究探寻在含氨氮的水质中也能够有效工作的新型光热材料。

针对上述问题,本文提出利用含高密度电荷的致密结构水凝胶层(PCH)作为截留层,基于PCH对小分子氨氮(NH4+)的Donnan排斥效应,进行光热蒸发过程中的有效氨氮截留。通过调节PCH层的电荷密度,获得95%的氨氮截留率。同时通过构建Janus结构复合水凝胶,实现3.3 Kgm-2h-1的光热水蒸发速率。进一步采用具有界面选择性的和频振动光谱,阐明了增强水蒸发的微观分子学机制。最后以农业污水沼液为模型体系的测试结果表明,制备的该光热蒸发膜在用于实际水体中也具有较好的氨氮截留效果。这项工作探索了一种利用荷电型光热水凝胶来分离农业污水中易挥发性有害成分的新策略,对于制备相关膜材料具有启发意义。


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2 水凝胶膜的荷电性能表征与氨氮截留性能优化



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光热膜水蒸发速率调控及调控水分子状态的微观机制表征

 

该论文第一署名单位为江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,第一作者为肖清波副研究员、2018级硕士生朱艳,通讯作者为畜牧所叶小梅研究员、中科院苏州纳米所王健博士、蔺洪振研究员。研究获得国自然面上项目(22078136)、院颠覆性项目(ZX(21)1222)、省农业自主创新项目(CX(20)3079)支持。

 

文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721045952


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