综述：用于现场高盐度废水零液体排放处理的光热砖

《Environmental Research》：Photothermal-brick for on-site zero liquid discharge treatment of high-salinity wastewater

通过压缩铁尾ings制备的光热砖（P-B）在太阳能驱动下实现高效蒸发，实验室蒸发率达1.65 kg·m?2·h?1，实地测试处理2000 kg高盐废水仅需48小时，蒸发峰值达6.25 kg·m?2·h?1，兼具26.9 MPa抗压强度和抗车压性能，为工业废水零液体排放提供低成本解决方案。

　　

Xuxiao Luo|Yingru Li|Xin Yang|Daolin Quan|Yulin Ran|Youshuai Lan|Jianfeng Zhang|Yahui Yang|Jinyu Liu|Zihao Luo|Zhuxin Jiang|Miaowei Zhang|Zishen Mou|Le Shi|Bo Tang

中国成都，成都理工大学生态与环境学院，土壤与水污染协同控制与联合修复国家重点环境保护实验室，邮编610059

摘要

高盐度废水由于其复杂的成分而给处理带来了重大挑战。虽然光热驱动的零液体排放（ZLD）技术具有可持续性，但其工程应用往往受到成本限制和材料脆弱性的制约。为克服这些障碍，我们开发了一种可扩展、耐用的光热砖（P-B），该砖由压缩铁尾矿制成，具有出色的机械强度（抗压强度为26.9 MPa）和坚固性——能够承受车辆负载（2吨SUV），并在实验室条件下模拟老化一年后仍保持超过90%的强度。P-B能够实现太阳能驱动的界面蒸发，用于现场处理高盐度废水。在模拟日光（1太阳光强度，1000 W m^?2）下的实验室测试中，显示出1.65 kg m^?2·h^?1的蒸发速率。重要的是，在16 m²的蒸发池中的现场验证证实了其可扩展性和实际效果：48小时内处理了2000公斤工业废水，自然光下的峰值蒸发速率达到6.25 kg m^?2·h^?1，这一效果还得到了风对流等环境因素的增强。这项工作为太阳能驱动的ZLD技术建立了一条机械上坚固、工业上可行的路径，填补了光热创新与大规模废水处理之间的空白。

引言

随着工业过程、海水利用和农业操作的不断增加，高盐度废水的产生带来了严重的环境威胁，包括水体矿化、土壤盐碱化和富营养化（Guo等人，2023；Gao等人，2022）。由于这种废水的成分复杂以及盐分引起的微生物毒性，其处理难度极大（Mirzaei等人，2024；Chen等人，2020）。虽然膜分离技术在无需大量热能输入的情况下具有广泛的适用性（Wang等人，2020），但它们运营成本高昂，并会产生需要进一步处理的浓缩盐水。因此，在环境政策日益严格的情况下，零液体排放（ZLD）已成为一项关键要求（Chen等人，2024a；Elakkiya等人，2021；Feng等人，2025）。作为一种综合性的环境保护技术，ZLD旨在通过物理和化学处理方法消除工业过程中的液体废物排放，最终将废水转化为固体盐进行处置或资源回收。这一概念最初由发达国家在20世纪70年代提出，在面临严格监管和水资源短缺的地区获得了广泛关注（Kairies等人，2019）。在中国，自“九五计划”时期以来，ZLD系统在热电厂等行业的推广导致了众多设施的建设，但技术瓶颈仍然存在，尤其是在处理高盐度废水方面。目前的ZLD技术通常包括预处理、膜浓缩和蒸发结晶等多个步骤。尽管有效，但这些系统面临高能耗、膜污染和结晶盐管理等问题（Chen等人，2019）。例如，高溶解固体和盐的腐蚀性往往需要昂贵的设备，使得成本和能耗成为ZLD发展的主要瓶颈。为了应对这些问题，不断有创新出现，例如开发了用于改进盐分离的电渗析变性和选择性电渗析技术，以及将膜过程与可再生能源相结合。此外，最近的研究探索了新的方法，如具有超低盐粘附性的太阳能驱动膜结晶器，展示了减少外部能量输入和提高效率的潜力（Chu等人，2025）。尽管热ZLD系统较为普遍，但由于能源需求高和成本效率低而停滞不前。在这种背景下，开发低能耗、可持续的ZLD技术，特别是利用太阳能等可再生能源的技术，已成为关键的研究焦点。

太阳能驱动的界面蒸发是一种有前景的ZLD替代方案，它利用光热材料在空气-水界面局部加热，实现高效蒸发并最大限度地减少能量损失（Chen等人，2023，2024a，2024b；Hu等人，2024；Thoai等人，2021；Yaqub和Lee，2019；Shi等人，2017）。然而，目前最先进的光热材料面临两个关键的工程障碍。高成本的合成材料，如氧化石墨烯凝胶（Xie等人，2020）、聚吡咯（Zhang等人，2015）、碳纳米管（Wang等人，2016）和金属颗粒（Yi等人，2017），虽然具有优异的光热转换性能，但在大规模应用中经济上不可行。低耐久性的基底材料，如棉花（Kiriarachchi等人，2018）和纸张（Xiong等人，2018），尽管成本低廉，但机械强度低（10 MPa），限制了其现场应用和使用寿命（Shi等人，2018；Jin等人，2018）。

与脆弱且常漂浮的纳米材料基蒸发器不同，P-B作为一种坚固的高密度砖的设计是出于特定的工程需求。它适用于工业园区中的大规模地面蒸发池，在那里必须能够承受维护车辆、行人通行以及清洁操作时的潜在冲击。这种设计理念更注重实际耐用性和维护便利性，而不是绝对的轻量化，解决了实验室规模创新与现场可部署ZLD技术之间的关键差距。

材料与化学品

氧化黑漆（Bayferrox BI ack 4330）从当地市场购买。破碎的铁尾矿也从当地市场获取。氯化钠颗粒从Aladdin网站购买。高盐度废水于2024年9月从四川省眉山市丹陵县的工业园区获取。

P-B的制造

破碎的铁尾矿经过液压压缩，然后在模型中保持5天。制备好的砖块随后涂上黑色氧化铁漆

结果与讨论

这种P-B的设计灵感来源于土木工程行业中使用的透水砖。透水砖是一种具有独特多孔结构和三维通道的亲水材料，非常适合用于停车场、花园和人行道等市政建设，以促进雨水渗透并防止积水。因此，我们提出在光热界面蒸发中使用透水砖可以增强水分传输

结论

总之，我们成功开发了一种高效的光热砖，能够通过太阳能驱动的界面蒸发实现高盐度废水的现场零液体排放处理。P-B表现出优异的机械稳定性，抗压强度为26.9 MPa，能够承受0.5吨的压力，并且具有可扩展性，解决了与材料合成、自然条件和施工技术相关的限制。

作者贡献声明

Xuxiao Luo：撰写——原始草稿、研究、数据整理。Yingru Li：撰写——审阅与编辑、研究。Xin Yang：撰写——审阅与编辑。Daolin Quan：撰写——审阅与编辑。Yulin Ran：撰写——审阅与编辑。Youshuai Lan：撰写——审阅与编辑。Jianfeng Zhang：撰写——审阅与编辑。Yahui Yang：撰写——审阅与编辑。Jinyu Liu：撰写——审阅与编辑。Zihao Luo：撰写——审阅与编辑。Zhuxin Jiang：撰写——审阅与编辑。Miaowei Zhang：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了成都理工大学生态与环境学院的支持。我们还要感谢成都理工大学工业技术研究所提供的实验条件，以及国家自然科学基金（NFSC，编号52300109）、四川省科技厅的创新人才项目（编号2022JDRC0057）的支持。