山东大学张清哲研究员团队在太阳能驱动的难降解废水处理领域取得新进展

近日，环境科学与工程学院张清哲研究员团队在太阳能驱动的难降解废水处理领域取得新进展。相关成果以“Ion-Regulated Water Activation in Plasmonic Aerogels for Highly Efficient and Salt-Resistive Solar Desalination”为题发表于国际期刊Adv. Funct. Mater. (2025,e14279) ，环境学院联合指导博士研究生山祥城为该论文第一作者，张清哲研究员为通讯作者，山东大学为第一完成单位和独立通讯作者单位。

在全球淡水资源日益紧缺的背景下，开发高效、可持续的海水淡化技术已成为应对水资源危机的关键方向。传统的海水淡化方法如热蒸馏和电渗析因高能耗和环境影响面临挑战，而界面太阳能蒸发（ISE）技术以其低成本、环保和可再生能源驱动的特点，成为解决淡水短缺的理想方案。然而，ISE技术在高盐度或污染环境下常受限于盐结晶、传质效率低等问题，亟需创新材料和机制突破。

该研究开发了一种氮化钛-聚酰亚胺气凝胶（TiN/PIA），通过有机冰辅助单向冷冻制备技术，构建了具有分级孔隙和定向水传输通道的结构，结合SPR光热转换和Hofmeister效应调控水合状态，实现了优异的光热蒸发废水净化及海水淡化性能。研究发现，TiN/PIA蒸发器在7wt%盐水中的蒸发速率高达4.22 kg m^–2h^–1，超越在纯水中的表现，在25wt%高盐度条件下仍保持2.96 kg m^–2h^–1。Cl^–通过霍夫迈斯特“盐溶”效应降低水的蒸发焓，显著提升水分子活化效率，同时有效抑制盐结晶，确保长期稳定运行。

图1.TiN/PIA可调的水输运特性、太阳能驱动的界面淡化性能和离子介导的水活化行为。

在山东大学青岛校区使用黄海海水进行的户外实验表明，蒸发率稳定在2.96 kg m^–2h^–1以上，主要离子浓度降低3-4个数量级，符合WHO和EPA的饮用水标准。此外，该蒸发器成功净化了含砷和锑的废水，净化水对小麦种子发芽和E. coli生长均未表现出明显的抑制作用。在户外太阳光照射下，该系统在真实海水和废水中连续运行8天无明显性能衰减，展现出其优异的实用性和抗盐耐污能力。所开发的陆海两用蒸发净水装置（已申请中国发明专利）轻质便携，可漂浮在海面上，实现太阳能自驱动海水淡化及废水净化，可适用于淡水缺乏的海岛、轮船等离网、应急或基础设施有限的场景。优异的耐盐特性亦使其在高盐工业废水处理领域具有较大潜力。本研究合成了表面等离子体共振（SPR）增强的光热气凝胶蒸发器，为高效、抗盐的太阳能废水净化及海水淡化提供了新的解决方案。

图2.TiN/PIA基太阳能蒸发器的实际应用。

以上研究由山东大学环境科学与工程学院联合中国科学院生态环境研究中心、中国科学院赣江创新研究院、英国谢菲尔德大学、加拿大国立科学研究院、美国佛罗里达国际大学等多方国际团队完成。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年科学基金、山东省泰山学者青年项目和山东省优秀青年科学基金（海外）资助。