基于磷酸化纳米纤维素复合水凝胶膜的太阳能驱动界面蒸发辅助钆（III）吸附

《Desalination》：Solar-driven interfacial evaporation-assisted adsorption of Gd (III) using phosphorylated nanocellulose composite hydrogel membranes

　　

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  太阳能界面蒸发与Gd³⁺富集和吸附相结合。
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  CPM在1 kW m^?2辐照下实现了2.29 kg m^?2 h^?1的高蒸发速率。
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  该膜表现出良好的耐盐性和自清洁能力。
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  磷酸基团和羧基通过Gd-O配位实现了Gd³⁺的选择性捕获。

引言

随着全球产业链向区域化、多元化、数字化和可持续化加速演进，稀土资源的需求持续增长[1]。在新能源汽车、半导体制造、风力发电、永磁材料及国防工业的快速发展驱动下，稀土元素作为关键战略资源的重要性日益凸显[2]，[3]，[4]，[5]。然而，稀土产业链上游的采矿、冶炼和分离等环节会产生大量含有稀土离子的废水。这不仅导致宝贵资源的流失，还因稀土离子在水环境和土壤中的积累而带来生态风险，并对人类健康产生潜在不利影响[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。因此，从废水中高效富集和选择性回收稀土元素是缓解资源供需矛盾和保障关键矿产供应链安全的重要途径。目前，稀土离子分离与回收最常用的方法主要包括沉淀法[11]、溶剂萃取法[12]、膜分离法[13]和吸附法[14]。其中，吸附法因操作简便、材料可设计性强且适用于低浓度体系而受到广泛关注[14]，[15]，[16]。然而，当传统吸附剂应用于实际含稀土废水时，其传质驱动力、选择性识别能力和循环稳定性往往难以令人满意。为了克服传统粉状吸附剂难以回收和循环稳定性差等问题，水凝胶膜逐渐成为捕获稀土离子的理想材料。其三维富水网络引入了磷酸基、羧酸根和羟基等配位基团，不仅提高了选择性，还便于吸附剂的分离、再生和重复使用。因此，水凝胶膜适用于复杂水体系中低浓度稀土离子的高效富集和选择性回收。然而，水凝胶膜的吸附仍主要依赖扩散驱动的吸附过程。在低浓度条件下，稀土离子向吸附界面的持续供应不足，可能限制了功能位点的充分利用。因此，还需引入能够同时增强离子迁移和界面富集的过程。

太阳能驱动的界面蒸发通过持续的传质和蒸发浓缩，促进稀土离子向膜表面传输和局部富集，为克服传质限制提供了有效途径。与传统整体加热相比，太阳能驱动的界面蒸发具有热损失小、能量转化效率高、装置结构简单等显著优势[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。在太阳辐射驱动下，该技术将光热转化限制在蒸发器表面的水-空气界面，从而实现水的蒸发、溶质浓缩和污染物截留的同步进行[17]。因此，它为高盐废水处理和水资源回收提供了有前景的策略。值得注意的是，在持续蒸发过程中，水分子从界面不断逸出，促进稀土离子在蒸发界面附近逐渐富集，从而增强了其与功能结合位点的相互作用。因此，将太阳能驱动的界面蒸发与稀土离子吸附相结合，有望克服传统吸附系统的两大局限，即传质受限和粉状吸附剂难以回收。最终，这一集成策略实现了太阳能驱动浓缩、界面定向扩散和原位配位捕获的协同结合。

在本研究中，以磷酸化纳米纤维素、羧甲基纤维素钠和多壁碳纳米管构建了复合光热蒸发水凝胶膜，用于太阳能驱动的界面蒸发辅助稀土离子吸附。磷酸化纳米纤维素富含磷酸基团和羟基，为Gd(III)提供富氧配位位点并增强膜内的水合能力。羧甲基纤维素钠凭借优异的成膜性和亲水性，提供额外的吸附位点并通过水凝胶网络促进水的连续传输。多壁碳纳米管通过全光谱吸光和高效光热转化，在膜内建立稳定的光热网络，从而促进界面局部加热并提高太阳能利用率。本研究为稀土离子的绿色富集和回收提供了太阳能驱动途径，为将太阳能驱动的界面蒸发拓展至水净化和资源回收的集成目标提供了指导。

章节摘要

材料

羧甲基纤维素钠（CMC-Na）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）购自阿拉丁试剂有限公司。多壁碳纳米管（MWCNTs，95%）、硝酸钕（99%）、硝酸镧（99.9%）和硝酸钆（99%）购自上海麦克林生化有限公司。磷酸化纤维素纳米纤维（PCNF，1 wt%，2.5 mmol g^?1）购自天津沐晶领生物科技有限公司。硝酸购自国药集团化学试剂有限公司。

CPM水凝胶膜的制备

As

形貌表征

图2中的SEM图像展示了CPM水凝胶膜及对应的对照样品，包括CMC-Na、CM和PC水凝胶膜。如图2(a, d)所示，CMC-Na水凝胶膜表面相对光滑致密，而其截面呈现紧密堆叠的层状结构。这表明羧甲基纤维素钠本身具有良好的成膜能力，但缺乏发达的孔隙和微/纳米尺度粗糙度，即

结论

在本研究中，通过将磷酸化纳米纤维素作为功能组分和多壁碳纳米管作为光热组分引入羧甲基纤维素钠中，制备了多功能水凝胶膜界面蒸发器。结果证实，MWCNTs、磷酸化纳米纤维素和CMC-Na的合理整合赋予CPM膜兼具高效太阳能蒸汽生成和Gd(III)吸附能力。

CRediT作者贡献声明

付蕊娟：数据整理、形式化分析、调查研究、撰写——初稿。张才：方法论、软件、验证、可视化。耿来红：概念构思、调查研究。焦瑞：验证、资源。孙寒雪：软件、数据整理。李吉岩：调查研究、可视化。梁伟东：概念构思、资金获取、项目管理、资源、监督。李安：概念构思、方法论、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金委员会（资助号：52366006, 51962018）、甘肃省教育厅工业支撑项目（编号：2024CYZC-19）、兰州创新创业人才项目（编号：2023-RC-11）。

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