将化学强化预处理与太阳能热膜蒸馏技术相结合，实现废水资源化处理并实现能量盈余

时间：2026年3月24日

来源：Resources, Conservation and Recycling

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化学强化预处理与太阳能热膜蒸馏耦合系统在离网社区废水处理中展现出高效性与可持续性。通过 spray-coating工艺在PVDF基膜上复合0.6 mg cm^-2 MWCNTs并添加PDMS稳定剂，构建新型抗污膜（光吸收97.4%，接触角>140°）。在1-sun辐照下，该膜-热联用系统对真实预处理出水实现45小时稳定水通量4.12 L m^-2 h^-1，COD、TN和NH_{4⁺-N去除率分别达79.00%、88.24%和81.78%，较常规膜蒸馏提升21.94%、1.71%和7.51%。分子动力学模拟证实MWCNTs界面破坏水氢键网络降低汽化势垒，结合太阳能热解抑制膜污染，系统实现+0.24 kWh/m³净正能平衡，为离网区域能源自给型废水回用提供新范式。}

周凯|宋江晨曦|张德荣|吴思远|王连旭|杨圆|陈荣

陕西省环境工程重点实验室，西安建筑科技大学，中国西安雁塔路13号，邮编710055

摘要

为了实现离网社区的可持续废水处理，本研究将化学强化初级处理（CEPT）与太阳能热膜蒸馏（SMD）相结合。该系统的核心是一种新型抗污染膜，通过喷涂多壁碳纳米管（MWCNTs，0.6 mg cm^-2）并使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行稳定处理，具有高光吸收率（97.4%）和稳定的疏水性（接触角>140°）。在1太阳辐射下，处理实际CEPT废水的SMD装置在45小时内维持了4.12 L m^-2 h^-1的通量，远高于未受辐射的MD装置（通量下降81.3%）。COD、TN和NH₄⁺-N的去除效率分别达到了79.00%、88.24%和81.78%（比传统MD方法分别提高了21.94%、1.71%和7.51%）。分子动力学模拟表明，MWCNTs界面破坏了水的氢键网络，降低了蒸发能量障碍，而太阳能热加热通过选择性抑制作用减轻了污染。该系统实现了+0.24 kWh/m³的净正能量平衡，为分散式废水处理提供了一种能源独立的方案。

引言

在偏远、离网的社区中，确保水资源安全从根本上是一个能源挑战（Yuan等人，2025年；Ma等人，2020年）。传统的废水处理依赖于集中式基础设施和稳定的电力，在这些环境中无法发挥作用，导致数万人无法获得安全的饮用水和卫生设施以及废水回收（Kim等人，2023年）。虽然分散式技术提供了一条前进的道路，但它们必须具备能源自给自足、简单且可靠的特点。

在这种情况下，太阳能膜蒸馏（SMD）成为了一个有前景的解决方案（Ding等人，2023年；Yu等人，2025年；Ndagijimana等人，2024年；Chen等人，2024年）。通过将阳光直接转化为热能用于膜界面处的水净化（Jiang等人，2021年；Kim等人，2022年，2019年），SMD有望实现离网运行。然而，将SMD从实验室设备转化为实际社区规模系统面临两个相互关联的瓶颈：（1）缺乏一种简单、低能耗的预处理方法，能够有效处理实际废水并保护SMD膜；（2）当使用复杂的实际废水时，SMD过程本身具有较高的能耗和污染倾向。大多数SMD研究集中在材料创新上，或仅处理合成废水，忽视了集成过程的关键作用（Razaqpur等人，2021年）。

我们认为，解决方案不在于单独改进SMD技术，而在于将其与能够直接解决这些核心瓶颈的预处理方法相结合。化学强化初级处理（CEPT）使用廉价的混凝剂，操作简单，非常适合这一任务（Hu等人，2023年）。一方面，它不仅可以去除颗粒污染物，更重要的是，还能将有机物浓缩成污泥进行厌氧消化（Ye等人，2024年）；所产生的甲烷可以作为可再生能源，有助于降低系统的总体能耗（Lei等人，2024年；Zhou等人，2025年）。另一方面，CEPT处理的废水具有较低的颗粒物和胶体含量，从而显著减少了后续SMD过程的污染倾向（Wang等人，2023年）。但一个关键问题仍然存在：通常被视为基本处理的CEPT，是否足以满足SMD的高级要求，并与其兼容？

在这里，我们证明了CEPT和SMD的集成系统能够实现变革性的性能，克服了污染和能耗这两个关键瓶颈。这种协同作用通过一个完全集成的系统实现，该系统得益于一种新型的高性能太阳能热膜。这种膜是通过将多壁碳纳米管（MWCNTs）喷涂在聚偏二氟乙烯（PVDF）基底上制备的，利用了MWCNTs出色的光吸收和太阳能热转换能力。我们的工作系统地：（i）制备并表征了一种新型的MWCNT-PVDF太阳能热膜，（ii）使用实际生活废水评估了其长期处理效果和净化性能，（iii）通过分子动力学模拟阐明了蒸发机制。因此，这项工作不仅展示了一个简单的设备演示，还提供了一个可复制的系统级蓝图，同时解决了污染和能耗这两个关键问题，为离网社区的分散式废水回收建立了一条实用的、能源正向的途径。

MWCNTs分散液的制备

稳定性的MWCNTs分散液制备方法如下：首先，将0.4克水性分散剂（XFDZM，江苏XFNANO材料科技有限公司，中国）溶解在100毫升去离子水中。然后加入2.0克MWCNTs，并在100转/分钟的转速下连续磁力搅拌15分钟，直至完全润湿。随后在冰浴中进行超声处理以防止过热。总超声处理时间为30分钟，分6次进行。

光吸收能力

高效的太阳能热转换依赖于出色的光捕获能力（Lv等人，2024年）。如图2a所示，MWCNTx/PVDF膜在宽波长范围（300–2400 nm）内表现出强而稳定的光吸收，平均吸收率约为97.4%。这一数值显著高于原始PVDF膜（约20.1%），表明MWCNTs的加入显著增强了材料的光吸收能力。

结论

本研究通过将CEPT与高性能的SMD系统相结合，提出了一种变革性的分散式废水回收解决方案。这种协同作用克服了传统MD方法的关键瓶颈：能耗和污染问题。新型的MWCNT0.6/PVDF膜具有出色的光吸收率（97.4%）和稳定的疏水性，在长期处理实际废水时能够维持4.12 L m^-2 h^-1的稳定通量。分子动力学模拟揭示了其背后的机制：

作者贡献声明

周凯：撰写初稿、研究、数据管理、概念构思。宋江晨曦：验证、资源获取、正式分析。张德荣：可视化、验证、软件开发。吴思远：研究、正式分析、数据管理。王连旭：验证、项目管理、概念构思。杨圆：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资金筹集。陈荣：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。