受贻贝启发的表面改性技术，用于高效且高效地净化复杂废水系统

《Desalination》：Mussel-inspired surface modification for high-rate and effectively complex wastewater systems purification

光热蒸发器基于鱿鱼墨汁中的黑色素纳米颗粒和商业甲醛海绵，通过仿生表面改性技术制备。该材料具有高光热转换效率、超亲水性和优异弹性，蒸发速率达3.37 kg·m?2·h?1，可高效处理染料废水、酸碱废水、重金属废水及油水混合物，净化后的水符合饮用水标准，并适用于原油泄漏等复杂场景。

　　

Minrui Zhan|Xi Zhang|Rong Liu|Manman Zhao|Wenkai Li|Huiyu Yang|Jiehao Du|Wei Chen|Shaojin Gu|Xin Liu|Bin Shang

中国武汉纺织大学材料科学与工程学院新型纺织材料与先进加工国家重点实验室，武汉，430200

摘要

废水排放的种类和数量的迅速增加导致了环境污染的进一步加剧。因此，迫切需要开发一种多功能材料，以便高效地净化各种废液。在本研究中，我们利用仿贻贝表面改性技术，以商用三聚氰胺-甲醛海绵和废弃的鱿鱼墨水为前驱体，制备出一种具有高弹性的光热多孔材料。该材料表现出优异的光热性能、低蒸发焓、超亲水性和稳定的压缩性，能够高效净化染料废水、酸碱废水、重金属废水以及油水乳液和盐水，其水蒸发速率超过3.2 kg m^-2 h^-1。净化后的水不仅适合农业灌溉，还符合世界卫生组织制定的饮用水标准。即使在原油泄漏等复杂情况下，该材料的光热性能和高弹性也能实现高效的清洁和回收。这一策略为开发用于实际应用中复杂废水系统的多功能光热材料提供了简单直接的方法。

引言

工业生产的加速以及生活方式的多样化导致各种类型废水的排放量大幅增加，包括金属离子废水、有机小分子废水、油水混合物等，这些废水污染了现有的水源。据报告[1]，到2050年，约有十亿人将面临严重的淡水短缺问题。因此，迫切需要开发能够快速有效净化多种废水的高功能材料，以减轻淡水危机对人类生活和工业活动的影响。

太阳能驱动的界面蒸发技术利用清洁、无污染且可再生的太阳辐射来加热界面水[2]，不仅显著加快了水的蒸发速率，还有助于将水与杂质分离，从而获得丰富且高质量的水资源。由于该技术符合节能、减排和可持续发展的原则，最近受到了广泛关注[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。迄今为止，已经开发出了多种光热材料，包括聚合物[10]、[11]、碳基材料[12]、[13]、[14]、半导体和等离子体金属[15]、[16]、[17]等，以尽可能多地吸收光线。这些吸光材料通常与生物基多孔基底[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、气凝胶[23]、[24]、[25]、[26]、水凝胶[27]、[28]、[29]结合使用，或者通过混合[32]、[33]、喷涂[34]、[35]、电纺[37]等方法自成体系，用于水蒸发应用。例如，Wang等人通过简单的水热法在柔性FT表面制备了一种类似珊瑚的仿生分级Ni-邻苯二酚金属有机框架，并涂覆聚多巴胺（PDA），可以有效净化海水和含染料的废水[39]。Qiu等人提出了一种“根-茎-叶”三级结构仿生策略，通过顺序电纺和热压制备三层纤维膜（2.0 MoS₂@PVDF-PAN@SBMA₂-PAN），实现了高效的光热界面蒸发，可高效淡化高盐度海水（10 wt% NaCl），蒸发速率为约2.81 kg m^-2 h^-1[40]。

尽管在提高蒸发速率和增强废水净化性能方面取得了显著进展，但大多数研究尚未验证其对复杂废液（尤其是油水乳液和重油）的净化效果。在我们之前的研究[41]中，利用仿贻贝设计的MXene功能化海绵（具有3D多孔结构、增强的疏水性和高效的光热转换能力）作为前驱体，成功制备出了这种材料。该材料对多种废液（包括重油、油水混合物、染料废水和重金属废水）具有优异的净化效果，并表现出显著的光热抗菌性能，可用于废水中的常见病原菌杀菌。然而，由于材料结构的限制，其净化速率相对较低，复杂的制备过程也限制了其实际应用。理想的蒸发器不仅应具备净化各种复杂废水系统的能力，还应具有简单可靠的制备工艺和经济的材料来源。

鱿鱼墨水中含有大量的黑色素纳米颗粒（简称MNPs）。这些MNPs在鱿鱼漫长的进化过程中逐渐形成并储存在其体内，在食用鱿鱼时通常会被丢弃。尽管如此，这些颗粒具有出色的光吸收性能，在可见光谱的多个波长范围内以及某些不可见光范围内都能高效吸收光线[42]。与常用的光热材料（如碳纳米管、石墨烯、MXene、聚吡咯、金纳米颗粒等）相比，MNPs不仅具有可比的光热转换效率，还具有原材料丰富、合成工艺简单和成本效益高的优势。这些特性使得鱿鱼墨水成为一种经济高效的光热材料。在本研究中，我们通过一种简单有效的仿贻贝表面改性技术成功制备出了超弹性光热多孔蒸发器。在该过程中，使用来自鱿鱼墨水的黑色素纳米颗粒作为吸光材料，商用三聚氰胺-甲醛海绵作为多孔框架。所得材料结合了光热响应性、超亲水性和超弹性等独特性能，使其成为复杂废水系统中太阳能驱动水净化的有前景的选择。

材料

3-羟基酪胺盐酸盐（多巴胺盐酸盐）、丙酮、甲苯、三氯甲烷、乙酸乙酯、十二烷基硫酸钠、石油醚和正己烷购自Aladdin Chemical Reagent Corp。氨水（28–30 wt%）、罗丹明B、乙醇、盐酸、氢氧化钠、甲基橙、氯化钠、氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、氯化锰（MnCl₂）、硫酸铜（CuSO₄）、氯化镍（NiCl₂）、硫酸锌（ZnSO₄）和氯化钴（CoCl₂

结果与讨论

在弱碱性条件下，通过多巴胺的氧化自聚反应，可以简单地在三聚氰胺-甲醛海绵（简称MF）表面涂覆黑色素纳米颗粒-聚多巴胺（简称MNPs-PDA）复合涂层。如图1a所示，原始的MF为白色；将其浸泡在含有多巴胺（DA）和黑色素纳米颗粒（MNPs）的弱碱性（pH约8.5）混合物中24小时后，海绵颜色变为深棕色

结论

总结来说，我们通过简单的仿贻贝表面改性技术成功制备出了一种高弹性的光热蒸发器。该蒸发器表现出优异的光热性能，并能降低水的蒸发焓，在阳光照射下可实现3.37 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，与文献中报道的大多数蒸发器相当。此外，该材料还能有效净化多种类型的废液。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52203098、52173062）和武汉市应用基础前沿项目（编号：2022013988065197）的支持。武汉市自然科学基金探索计划（编号：2024040801020318）、湖北省自然科学基金（编号：2024AFB257）、湖北省新型纺织材料与应用研究重点实验室（编号：FZXCL202413）、湖北省地方科技发展指导计划（编号：2024EIA025）的资助。