光热转化型纤维素基木质气凝胶的界面蒸发技术用于染料废水净化

传统染料废水处理方法存在适用性受限、二次污染等问题，山东科研团队通过部分脱木质素-活性黑染色工艺构建3D花型太阳能蒸发器，实现1.89 kg·m?2·h?1蒸发速率，净化水色度0、pH 7-9，Na+去除率99.9%，为复杂染料废水处理提供高效环保新方案。

　　

染料废水治理正面临严峻挑战。纺织印染行业排放的废水不仅含有高色度有机染料，还混杂着盐类、重金属离子和表面活性剂等辅助成分。这类废水毒性强、难降解，传统吸附法和化学降解法存在效率低、易产生二次污染等缺陷。更棘手的是，染料分子特殊的化学稳定性使其在常规处理中难以彻底分解，而竞争吸附效应又导致重金属等污染物去除不彻底。

针对这一难题，山东省科研团队创新性地将太阳能界面蒸发技术（Solar-driven interface evaporation）引入染料废水处理领域。研究人员以轻木（Balsa wood）为原料，通过部分脱木质素（Delignification）和活性黑染色工艺，构建出具有优异光热转化性能的纤维素基气凝胶（Cellulose-rich aerogel）。这种材料被设计成三维花型结构，其独特形态可实现太阳光的多次反射吸收，显著提升能量利用效率。相关成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》上。

关键技术包括：三维花型结构设计、部分脱木质素处理、活性黑染色工艺、微通道水传输系统构建，以及蒸发性能测试体系。实验选用200×100×1 mm规格的轻木为原料，通过控制NaClO₂处理程度保留部分木质素以维持机械强度。

材料与结构
研究团队创新性地采用"部分脱木质素-染色"两步法：适度保留的木质素网络增强材料强度，而活性黑染料（Reactive black KN-B）赋予材料在250-750 nm波段的广谱吸光能力。扫描电镜显示处理后的气凝胶保留木材天然微通道，这些直径约20 μm的垂直孔道成为高效水传输路径。

光热转化性能
三维花型设计使蒸发器实现93.56%的光吸收率。测试显示，在1 kW·m^?2光照下，蒸发界面温度可达45.6°C，较二维结构提高32%。独特的立体结构促使光线在花瓣间多次反射，将热流密度提升至1.89 kg·m^?2·h^?1，远超平面蒸发器1.47 kg·m^?2·h^?1的基准值。

污染物去除机制
蒸发过程中，染料分子被气凝胶微孔截留，而Na⁺、Cr⁶⁺等离子因分子尺寸差异被选择性排除。测试数据显示：净化水色度为0（铂钴标准），pH值稳定在7-9之间，Na⁺浓度降至0.1 mg/L（去除率99.9%），铬离子未检出。对活性、还原、分散、阳离子和酸性五类染料的脱色率均达100%。

环境适应性
在含2.5% NaCl和50 mg/L Cr⁶⁺的模拟废水中，蒸发器连续运行120小时性能无衰减。循环实验表明，经5次再生后仍保持92%的初始效率，且无染料溶出风险。

该研究突破性地将太阳能界面蒸发技术拓展至复杂染料废水处理领域。通过仿生三维结构设计和木质纤维素材料改性，实现了光-热-水协同传输的精密调控。其核心价值在于：①开创非吸附降解的新型净化路径，避免二次污染；②单次处理即可同步去除染料、盐分和重金属；③每平方米日净水量达45.36 kg，能耗仅为传统技术的1/8。这种"绿色脱色"技术为印染、电镀等行业的废水治理提供了革命性解决方案，在《中国制造2025》重点发展的环保材料领域具有重大应用前景。