近期,環(huán)境科學(xué)與工程系朱秀萍課題組在Environmental Science & Technology期刊上發(fā)表了題為“Unlocking Hydrogel-Based Desalination with Ammonia Gas Dewatering”的research article,創(chuàng)新性地提出利用氨氣作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì),實(shí)現(xiàn)聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝膠(PAAM)的高效脫水與脫鹽。該技術(shù)憑借氨氣強(qiáng)大的滲透壓作為驅(qū)動(dòng)力,大幅提升水凝膠脫水效率,達(dá)到110 gH2O/ghydrogel/h的脫水速率以及600-1100 LH2O/kghydrogel的日均產(chǎn)水量,且脫鹽率穩(wěn)定在約60%。
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團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)揭示了氨氣濃度與水凝膠脫水性能間的關(guān)系,并成功實(shí)現(xiàn)脫水產(chǎn)水中氨氣的高效吹脫回收,降低環(huán)境排放風(fēng)險(xiǎn),兼顧能耗優(yōu)化,展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和節(jié)能優(yōu)勢(shì)。更重要的是,該技術(shù)不僅適用于微咸水的高效處理,更為農(nóng)業(yè)灌溉水源提供了可靠保障。上海東灘采集的微咸水經(jīng)過水凝膠處理后,重要營(yíng)養(yǎng)離子得到有效保留且鹽分大幅下降,成功促進(jìn)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng),驗(yàn)證了該技術(shù)在農(nóng)業(yè)用水領(lǐng)域的巨大潛力。
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圖5. 脫鹽后微咸水在水稻栽培中的表現(xiàn)。(a)原始微咸水與脫鹽后微咸水中的離子濃度。(b)用于水稻栽培的水凝膠脫脫水-鹽系統(tǒng)示意圖。(c)用脫鹽微咸水及相應(yīng)對(duì)照水灌溉的水稻種子發(fā)芽率和芽高。(d)第7天用脫鹽微咸水及相應(yīng)對(duì)照水灌溉的水稻種子照片。
此外,研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了水凝膠-反滲透(RO)集成系統(tǒng),將水凝膠體系作為反滲透工藝的前處理手段,顯著降低了反滲透階段的運(yùn)行壓力和能耗,整體節(jié)能幅度達(dá)51%。與傳統(tǒng)超濾-反滲透系統(tǒng)相比,該方案在膜組件投資和維護(hù)成本上也有顯著降低,可有效延長(zhǎng)膜壽命并減少結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn),展現(xiàn)出極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。
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圖6. SCRO工藝中每個(gè)循環(huán)對(duì)進(jìn)水1(a)和進(jìn)水2(b)的詳細(xì)操作示意圖。(c)SCRO工藝中兩條水流的操作結(jié)果表。(d)UF-RO系統(tǒng)與水凝膠-RO系統(tǒng)的總比能耗(SEC)對(duì)比。(e)UF-RO系統(tǒng)與水凝膠-RO系統(tǒng)的總資本成本對(duì)比。Hyd(水凝膠)、HPP(高壓泵)、BP(增壓泵)、T(水箱)、ERD(能量回收裝置)。
該項(xiàng)研究不僅開創(chuàng)了利用氨氣促進(jìn)水凝膠脫水的新思路,推動(dòng)了高性能水凝膠海水淡化技術(shù)向?qū)嵱没~進(jìn),還為解決水資源短缺提供了創(chuàng)新路徑。未來,團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深化氨氣與水凝膠相互作用機(jī)制的研究,推動(dòng)技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用,并積極探索在更廣泛水處理領(lǐng)域的推廣價(jià)值。
論文的共同第一作者是環(huán)境系博士后費(fèi)靜媛和路易斯安那州立大學(xué)博士生孫瑋良。國(guó)家自然科學(xué)基金(52270029)支持了本項(xiàng)研究,成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Environmental Science & Technology》。
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