材料研发背景
随着我国工业的快速发展，工业废水排放量激增，其排放总量约为690亿t，其中，高盐废水产量约占总废水量的5%，且每年仍在以2%的速度增长。由于此类废水盐分含量高、存在大量高毒易 挥发的有机污染物，难以直接采用生化处理，而传统物化处理技术，如电渗析和反渗透等，存在处理工艺 复杂、能耗成本居高不下等问题。因此，亟需开发一种新型的绿色节能和经济环保的高盐废水处理技 术。界面光蒸汽转化技术是一种将光热转化所得的能量限制于水-气界面，经界面热积聚局部加热水体，显著提高光热水体蒸发回收效率的新型废水处理技术，具有绿色节能和经济环保等特点。
废水处理技术现况
现阶段已有许多新型碳基材料被应用于海水淡化、原油吸附及蒸汽灭菌等。例如，Liu等利用新型氧化石墨烯复合材料进行海水淡化，在12 kW·m-2光照条件下，蒸汽产生效率为82.8%。Liu等设计了一款超疏水亲油型石墨烯基材料，可实现80%材料的回收利用；Li等利用碳基吸收体快速光热响应的特点，持续产生蒸汽温度可达121 ℃，并可将灭菌周期缩短至8.4min。因此，该技术有望实现低能耗、低成本和高效率的 高盐废水净化，并实现水资源回收利用。但现有的界面光蒸汽转化材料大多是基于石墨烯基的多孔碳材料， 虽然此类材料具备摩尔比热低、光谱吸收范围宽和光热转化效率高等优点，但仍存在官能团较少、极性较弱等缺陷，难以有效吸附随水体蒸发而逸出的许多极性有机污染物，回收净水存在二次污染风险，应用于高盐废水处理相关的材料尚未见报道。因此，为实现高盐废水净化和回收利用，亟需设计一种光热转化效率高、污染物吸附性能良好的新型界面光热蒸发材料。
新型三维多孔石墨烯的制备方法
纤维状结构碳化氮（h-CN）的制备：称取 20g尿素，置于坩埚中，在空气气氛下加盖煅烧，于 550℃ 维持2h，制备得到碳化氮（CN），将样品研磨后备用；称取 200mg高温煅烧所得的 CN 粉末加入 60 mL NaOH（5 mol·L-1）中，在 60 ℃条件下水浴搅拌12h，弃去上层清液，用蒸馏水洗涤样品，经冷冻干燥后 得到纤维状h-CN粉末。
氧化石墨烯（GO）：取 100 mL 浓 H2SO4 加入到 2 g 石墨粉和 2 g 硝酸钠冰水浴中磁力搅拌 4 h，缓慢加入12g 高锰酸钾，搅拌 24h，撤冰浴，升温至60 ℃，加入200mL去离子水，反应15min，缓慢加入10mL的30%H2O2 至金黄色，冷却至室温，用 5%HCl 溶液清洗离心，再用去离子水清洗离心，后将所得浆液置于高功率超声下进行剥离，配置成浓度为10mg·mL-1的溶液待用。
还原氧化石墨烯（r-GO）：取5mL 溶液，加入15mL 去离子水，分次缓慢加入100mg 硼氢化钠，超 声分散，待溶液仅剩少许气泡，置于80 ℃条件下水热12h，冷却至室温，用去离子水清洗离心，配置成 浓度为10mg·mL-1 溶液待用。
3D h-CN/r-GO：称取60mg h-CN 粉末加入24mL r-GO 溶液中，超声分散，将上述溶液转移至水热釜 中，先在100 ℃下反应40min，后升温至180℃保温 24h，反应完成后得三维石墨烯水凝胶，用去离子水 反复冲洗，随后对其冷冻干燥，即可获得 3D h-CN/r-GO。
新型三维多孔石墨烯的性能分析与优势
良好的光热转化性能：
良好的光热转化性能可以为材料的界面蒸发提供足够的热量。图1是纯 r-GO、纯 h-CN 和 3D h-CN/r-GO 三者的光热成像图。从中可知，纯 h-CN基本不具备光热转化性能，20 min以后瓶体呈现出较弱且均匀的热量，这主要是由光照本身对水体的加热所致；纯r-GO与3Dh-CN/r-GO均表现出一定的光热转化性能，其中，由于纯 r-GO 均匀分散在水体中，故体现出对水体的整体式加热，导致许多不必要的热传导损失，温度最高仅可达到60℃，因而复合材料呈现更快的升温，且表现出显著的界面加热效果，光照30min后进行界面水蒸发的同时，该材料的界面温度仍可达90℃。
图1
水蒸发性能：
如图11和图12所示，由于h-CN均匀分散在溶液中，对溶液进行整体式加热，且材料本身未显示出明显的光热转换性能，故蒸发速率较低，仅为0.35 kg·(m2·h)-1；r-GO材料的光吸收范围宽，且其本身具备一定的光热转换特性，因而水蒸发 速率相比纯水与h-CN 稍有提升；而复合材料经h-CN改性提升了其亲水性，且具备三维多级孔道结构，可实现良好的界面持续水蒸发，在1个太阳光强下的水蒸发速率为1.52 kg·(m2·h)-1，相比空白提升了6.6 倍，太阳能光蒸汽转化效率高达90.4%，此外较目前报道的石墨烯基多孔材料也提升了30%。
从吸附性能来说：
图13 为纯 r-GO、纯 h-CN和 3D h-CN/r-GO 在 20 ℃条件下对硝基苯和苯酚溶液的吸附等温线，从中可知，各材料对污染物的吸附量随污染物初始浓度的增大而增大，当初始浓度<200mg·L-1 时，吸附量随初始浓度的增加快速增大，之后初始浓度再增大，吸附量缓慢增加直至平衡。由于h-CN 富含丰富的—NHx 和—OH 等官能团，可利用范德华力、氢键等有效提升污染物吸附性能，且所制备的 3D h-CN/r-GO 具备多级孔道结构，进一步提升了复合材料的污染物吸附截留性能，其对硝基苯和苯酚的最大吸附容量分别为67.6 mg·g-1 和 57.5 mg·g。
当三维多孔材料用于处理废水
以清洁能源太阳能作为能量输入，可有效实现水资源的可持续回收利用。将制备的 3D h-CN/r-GO 光热转换材料利用界面光蒸汽转化处理高盐含挥发性有机污染物的废水。将材料置于待处理模拟污染废水表面，在光照下可实现光热界面蒸发，持续产生水蒸气，经石英玻璃冷凝成水珠后，实现淡水的回收。可得材料具备良 好的水传输和光热界面蒸发特性，水体的蒸发速率基本不变，可以实现长时间水的稳定蒸发回收。且冷凝回收的水体中基本无污染物和盐分检出，污染物及盐分截留率高达98%左右，苯酚和硝基苯浓度分别为0.29 mg·L-1 和 1.24 mg·L-1，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》出水排放浓度。
结论
（1）通过水热反应制备的新型三维多孔石墨 烯复合材料该材料在 200~2000 nm 太阳光谱范围内具备良好的光谱吸收特性。
（2）3D h-CN/r-GO 可实现快速的光热响应，光照 30 min 后界面温度可达90℃，且具有显著的界面光 蒸汽转化的效果，在一个太阳光照条件下水蒸发速率为1.52kg·(m2·h)-1，太阳能光蒸汽转化效率高达90.4%， 相比纯水提升了 6.6 倍。
（3）利用3D h-CN/r-GO的界面光热蒸发特性处理高盐废水的过程中，对污染物及盐分截留率高达 98% 左右，冷凝水体达到污水处理的排放标准，并且具有长期稳定性。
参考文献
《新型三维多孔光热材料制备及其高盐废水处理应 用》黄乐，徐颖峰 ，谢茜青，赵娴，冯华军
注：本文章转载自高分子物理学，不代表本网观点立场。
