《Journal of Hazardous Materials》：Polyaniline-modified sea sand suppresses phase-change-driven microplastic transport via regenerable interfacial retention for long-term solar desalination
编辑推荐：
•相变促进微塑料跨蒸发界面的输运。•PANI使颗粒命运转向可再生的界面截留。•在保留七种微塑料的同时维持水的输运。•实验与模拟揭示了输运–保留竞争机制。•户外天然海水运行30天产水量>220 kg m-2。引言全球淡水资源的日益紧缺促使人们对低能耗、低碳排放的脱盐技术需求
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相变促进微塑料跨蒸发界面的输运。
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PANI使颗粒命运转向可再生的界面截留。
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在保留七种微塑料的同时维持水的输运。
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实验与模拟揭示了输运–保留竞争机制。
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户外天然海水运行30天产水量>220 kg m-2。
引言
全球淡水资源的日益紧缺促使人们对低能耗、低碳排放的脱盐技术需求愈发迫切 [1]。太阳能界面蒸发(SIE)因其能耗低、系统结构简单，已成为分布式淡水生产的有前景的方法 [2]，[3]。在光热材料设计、界面水输运及盐管理方面已取得显著进展 [4]。然而，与动态相变相关的水质潜在风险仍未得到充分认知 [5]。
微塑料是海洋环境中广泛存在且持久的颗粒污染物(图1)。其粒径小、环境稳定性强、界面行为复杂，引起了人们对微塑料在水体系统中输运与归趋的日益关注 [6]。以往研究表明，微塑料并非仅局限于水体内部输运，它们可能通过波浪作用、气泡破裂和海雾生成跨越海–气界面，随后经大气输运和湿沉降到达陆地表层 [7]，[8]，[9]。然而，这些研究主要聚焦于开放自然系统中的海–气交换与环境循环。微塑料在工程化蒸发–冷凝过程中的输运行为却知之甚少。太阳能界面蒸发(SIE)界面的条件高度动态，快速相变形成了气–液–固三相界面，其中温度梯度、毛细供水和局部界面扰动共同作用产生持续的平衡质传递 [10]。在这些条件下，微塑料可能在蒸发面附近富集并进入水汽–冷凝物路径，从而对收集的淡水构成二次污染风险 [11]。因此，亟需明确相变驱动的颗粒输运与材料介导的界面保留如何共同调控微塑料的归趋。本质上，SIE系统中微塑料的迁移与保留受相变驱动输运与界面保留之间动态竞争的控制。理解并调控这一输运–保留平衡，对于开发兼顾高效淡水生产与可靠水质保障的太阳能脱盐系统至关重要。
天然海砂(SS)储量丰富、成本低廉，且适合作为界面蒸发的支撑材料。其互连的分级孔隙可维持连续的毛细供水 [12]，而空间限域和物理筛分则提供了一定程度的被动颗粒截留 [13]。然而，原始SS存在若干固有局限。其本征太阳能吸收和光热响应相对较弱，且通过物理接触截留的颗粒在界面剪切和水汽扰动下易发生脱落 [14]。此外，SS缺乏可控的再生机制。长期颗粒积累可能堵塞孔道网络并改变局部水输运路径，从而损害连续供水和蒸发性能 [15]。共轭聚合物，包括聚吡咯(PPy)、聚(3,4-亚乙二氧噻吩)(PEDOT)和聚苯胺(PANI)，因其离域π电子结构可实现宽带太阳能吸收和高效光–热转换，作为光热改性材料受到广泛关注 [16]。PPy因氧化聚合工艺简便、光热响应强而得到广泛应用，而PEDOT基材料则以其固有的稳定性和良好的可加工性而备受推崇 [16]，[17]。然而，本系统的需求不仅仅局限于光热增强，表面涂层还必须提供足够强的界面相互作用以在界面蒸发过程中固定微塑料，同时在材料再生时允许其可控释放。PANI尤其适合这些多功能需求。得益于其共轭聚合物骨架，PANI具有强烈的宽带太阳能吸收和高效光热转换能力，使其成为太阳能蒸发的有效光收集组分 [18]。更重要的是，PANI含有大量氨基和亚氨基，可参与π–π相互作用、氢键、极性相互作用和静电吸引 [19]。这些相互作用可增强微塑料的截留并抵消相变流场引起的输运效应 [20]。PANI还可发生可逆的质子化与去质子化，伴随表面电荷和分子构象的变化 [21]。这种pH响应行为为调控界面结合强度、实现微塑料的可控捕获和材料再生提供了潜在途径。因此，选择PANI并非因为其光热性能普遍优于PPy或PEDOT，而是因其光收集、界面锚定和pH响应等多重性质与本研究的多元功能目标高度契合。
本文开发了一种聚苯胺改性海砂光热材料(PANI@SS)，用于研究动态蒸发条件下微塑料的输运与保留行为。该系统将天然SS的多孔供水网络与PANI功能化界面相结合，使光热转换、界面水活化和颗粒截留可在同一材料中同步提升。本研究不局限于蒸发性能，而是探讨动态气–液–固界面上微塑料的归趋。通过整合吸附模型、光谱表征、pH响应实验和分子动力学模拟，揭示了相变驱动输运与界面保留之间的竞争机制。进一步开展为期30天的户外天然海水长期实验，评估了淡水产量、微塑料控制效果和再生稳定性。研究成果为集高效蒸发、水质保护和长期复用于一体的太阳能脱盐系统提供了机理基础和界面设计策略。
章节摘要
材料与表征
试剂信息和表征方法分别见补充材料第S1节和第S4节。
PANI@SS的制备
海砂取自渤海潮汐带，改性前的清洗过程见第S2节。通过在酸性条件下对苯胺进行氧化聚合，在砂粒表面生长聚苯胺。通过调节氧化剂/苯胺的用量比，获得了不同PANI负载量的复合材料，命名为PANI-1@SS至PANI-5@SS。详细制备
PANI@SS的形貌与结构表征
采用扫描电子显微镜(SEM)对比了原始SS和PANI@SS的表面形貌。低倍镜下(图2a和c)，天然SS颗粒轮廓清晰，外表面特征不规则。高倍镜下(图2b和d)，原始SS表面粗糙且不平整，未见明显有机沉积物。PANI改性后，颗粒表面被一层均匀的薄聚合物层覆盖。原有的表面起伏
结论
本文开发了一种聚苯胺改性海砂光热材料(PANI@SS)，以解决太阳能界面蒸发过程中微塑料输运带来的潜在水质风险。通过宽带太阳能吸收与界面水活化的协同效应，PANI@SS实现了2.20 kg·m-2·h-1的蒸发速率，显著高于原始SS。PANI改性将天然海砂对微塑料的弱可逆物理截留转变为
作者贡献声明(CRediT)
Jingzhe Li：软件、形式分析。Shengde Yu：软件、调查研究、形式分析。Wei Zhang：写作—审阅与编辑、指导监督、调查研究、形式分析。Lin Gong：初稿撰写、方法论、经费获取、概念化。Xushen Liu：初稿撰写、软件、数据整理。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金(编号52400230和52470200)、科技决策咨询研究青年人才项目(SKXJCZX-2026-02C)、河南省科技协会青年人才支持计划(2025HYTP086)以及郑州大学青年骨干教师培养计划(2025ZDGGJS004)的经费支持。
Lin Gong|Xushen Liu|Jingzhe Li|Shengde Yu|Wei Zhang
