成果簡介

湖北工業(yè)大學(xué)皮科武教授、吳攀副教授團(tuán)隊(duì)在Journal of Hazardous Materials期刊上發(fā)表了題為“An integrated photothermal–photocatalytic strategy for in situ treatment and water reuse of landfill leachate”的研究論文。研究構(gòu)建了一種多功能蒸發(fā)器 NTC-SA/MS，將界面光熱蒸發(fā)、水相高級氧化與污染物原位降解深度耦合，在完全依賴太陽能的條件下，實(shí)現(xiàn)了垃圾滲濾液的高效凈化、水資源回收與氮素富集。該系統(tǒng)不僅顯著提升了水回收效率，還有效抑制了揮發(fā)性有機(jī)污染物在蒸發(fā)過程中的二次遷移風(fēng)險。收集的餾出液水質(zhì)穩(wěn)定，可直接或經(jīng)適度稀釋后用于農(nóng)作物灌溉，兼具安全性與潛在肥效。該研究為垃圾填埋場滲濾液的原位治理、資源化利用與長期低碳運(yùn)維提供一條綠色、低成本、可擴(kuò)展的技術(shù)新路徑。

引言

垃圾滲濾液（landfill leachate, LFL）成分復(fù)雜，通常富含難降解有機(jī)物、氮磷營養(yǎng)鹽及高鹽離子，其集中處理成本高、能耗大，且存在二次污染風(fēng)險。如何在填埋場現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)LFL的低能耗、低運(yùn)維、兼顧資源回收的原位處理，仍是工程實(shí)踐中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本研究提出一種光熱–光催化協(xié)同界面蒸發(fā)策略（圖 1），通過在同一界面內(nèi)耦合太陽能驅(qū)動蒸發(fā)、活性氧原位生成與污染物同步降解，實(shí)現(xiàn)滲濾液的連續(xù)凈化與水資源回收。所構(gòu)建的 NTC-SA/MS 多功能蒸發(fā)器，在 1 kW·m?2 光照條件下，蒸發(fā)速率達(dá)到 2.25 kg·m?2·h?1；在過硫酸鹽（PMS）協(xié)同作用下，模擬污染物苯酚去除率可提升至 90% 以上。應(yīng)用于實(shí)際滲濾液處理時，COD 由 4266 mg·L?1 降至 53 mg·L?1，磷酸鹽完全去除，而富集于餾出液中的氨氮則表現(xiàn)出明顯的農(nóng)業(yè)利用潛力。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)一步表明，該體系的處理成本僅為 10.33 美元·噸?1，顯著低于傳統(tǒng)處理工藝。

圖1. NTC-SA/MS蒸發(fā)器處理垃圾滲濾液及其蒸餾液用于農(nóng)作物灌溉的示意圖

NTC-SA/MS 蒸發(fā)器的制備對于垃圾滲濾液的處理至關(guān)重要。如圖 2a 所示，NTC復(fù)合材料經(jīng)簡便可控的沉積法均勻負(fù)載在三聚氰胺海綿表面，顯著提升其光熱與光催化活性。掃描電鏡圖（圖 2b、c）顯示，復(fù)合后海綿表面被交聯(lián)層均勻包覆并部分填充，形成致密接觸界面，有利于水輸運(yùn)。紫外–可見–近紅外吸收譜（圖 2d）表明，NTC-SA/MS 在 250–2500 nm 范圍內(nèi)的總吸收率達(dá) 93.7 %，遠(yuǎn)高于原始海綿，展現(xiàn)出優(yōu)異的寬譜光吸收性能。傅里葉變換紅外光譜（圖 2e）與 XPS（圖 2f）進(jìn)一步證實(shí)了 NiO、TiO? 和 CNT 在海綿骨架上的成功固載。復(fù)合材料中出現(xiàn)的 Ti–O/Ni–O 低頻振動特征峰以及表面富集的多種含氧、含氮官能團(tuán)，為增強(qiáng)光吸收性能、改善親水性并促進(jìn)載流子遷移提供了堅實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。綜上所述，NTC-SA/MS 兼具良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)光響應(yīng)特性，為實(shí)現(xiàn)高效光熱蒸發(fā)與光催化協(xié)同降解奠定了可靠基礎(chǔ)。

圖2.材料合成與表征。(a) NTC-SA/MS制備流程示意圖；(b) 三聚氰胺海綿在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡圖像（i和ii）；(c) NTC-SA/MS蒸發(fā)器在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡圖像（I和II）；(d) 三聚氰胺海綿與NTC-SA/MS的紫外-可見-近紅外吸收光譜；(e) 三聚氰胺海綿與NTC-SA/MS的傅里葉變換紅外光譜；(f) NTC-SA/MS的X射線光電子能譜全譜。

為系統(tǒng)評估 NTC-SA/MS 蒸發(fā)器的綜合性能，開展了模擬太陽光照條件下的對比實(shí)驗(yàn)。在 1 kW·m?2 光照強(qiáng)度下，NTC-SA/MS 的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率可達(dá) 2.25 kg·m?2·h?1（圖 3a）。進(jìn)一步分析表明，Ni/Ti 摩爾比例的變化對整體蒸發(fā)速率影響較小，而碳納米管含量在光熱轉(zhuǎn)化與熱響應(yīng)過程中起主導(dǎo)作用。與純水（0.25 kg·m?2·h?1）和原始三聚氰胺海綿（0.65 kg·m?2·h?1）相比，NTC-SA/MS 的蒸發(fā)速率顯著提升至 2.25 kg·m?2·h?1（圖 3b）。紅外熱成像表明，在光照條件下，NTC-SA/MS 表面溫度可迅速升高并穩(wěn)定在約 41.5 °C（圖 3c、d），反映出其高效的光熱轉(zhuǎn)換能力。在連續(xù) 8 h 的蒸發(fā)測試中，NTC-SA/MS 始終保持穩(wěn)定的蒸發(fā)速率（圖 3e）。以 10 mg·L?1 苯酚溶液作為研究對象，考察不同 PMS 濃度和光照條件下 NTC-SA/MS 的光熱–催化協(xié)同降解性能。結(jié)果表明，隨著 PMS 濃度由 0 提高至 2 mmol·L?1，苯酚去除率由約 70 % 顯著提升至 99 %（圖 3f），表明PMS的引入有效強(qiáng)化了體系的氧化降解能力。當(dāng)光照強(qiáng)度由 0.5 提升至 2.5 倍太陽光強(qiáng)時，苯酚降解率達(dá)85 %（圖 3g），主要是由于高光強(qiáng)條件下水分蒸發(fā)與氣相傳質(zhì)過程加快，導(dǎo)致部分未完全降解的有機(jī)物更易進(jìn)入氣相。當(dāng)初始苯酚濃度< 10 mg·L?1 時，餾出液中苯酚殘留濃度始終低于 1 mg·L?1（圖 3h），表明該體系在光熱蒸發(fā)與催化氧化協(xié)同作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對揮發(fā)性有機(jī)污染物的高效去除。

圖3. 材料蒸發(fā)性能測試。(a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(b) 純水、MS和NTC-SA/MS在1 kW m-2光強(qiáng)下的蒸發(fā)速率；(c)1 kW m-2光照強(qiáng)度下純水蒸發(fā)過程中NTC-SA/MS與MS蒸發(fā)器的表面溫度變化；(d) NTC-SA/MS蒸發(fā)1小時后的表面紅外熱成像圖；(e) MS與NTC-SA/MS在1 kW m-2光照強(qiáng)度下連續(xù)8小時的蒸發(fā)速率；(f) 不同PMS濃度條件下餾出液中苯酚含量變化（初始苯酚濃度：10mg L-1）；(g) 不同光照強(qiáng)度對苯酚去除效果的影響（初始苯酚濃度：10mg L-1，PMS投加量：1 mmol L-1）；(h) 不同初始苯酚濃度對苯酚去除效果的影響（PMS投加量：1 mmol L-1）。

為降低垃圾滲濾液中污染物負(fù)荷并進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體處理性能，引入PMS作為預(yù)處理氧化劑。滲濾液在 PMS 作用后，其顏色由深褐色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇\黃色，并伴隨明顯氣泡生成，表明體系中發(fā)生了強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)（圖 4a）。在暗反應(yīng)條件下，COD、NH??-N 和 PO?3? 的去除率分別達(dá)到 44.0%、29.6% 和 63.0%；在太陽光照激活后，上述去除率進(jìn)一步提升至 77.8%、60.5% 和 66.3%（圖 4b–d），充分說明光照可有效促進(jìn) PMS 活化并增強(qiáng)活性氧物種的生成。隨后，將經(jīng) PMS 處理的滲濾液引入 NTC-SA/MS 蒸發(fā)系統(tǒng)（圖 4e），所得餾出液水質(zhì)顯著改善：COD 去除率高達(dá) 98.7%，NH??-N 去除率提升至 87.4%，而 PO?3? 濃度則降至檢測限以下（圖 4f–h）。上述結(jié)果表明，NTC-SA/MS 蒸發(fā)器能夠在蒸發(fā)過程中協(xié)同實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的原位礦化與無機(jī)污染物的高效去除，為垃圾滲濾液的原位處理與水資源回用提供切實(shí)可行的技術(shù)路徑。

圖4. (a) 光催化實(shí)驗(yàn)示意圖；(b) 添加不同濃度PMS后滲濾液COD變化；(c) 氨氮濃度變化；(d) 磷酸鹽濃度變化；(f) 不同處理?xiàng)l件下滲濾液COD變化曲線；(g) 不同條件下氨氮濃度變化；(h) 不同條件下磷酸鹽濃度變化。

為評估 NTC-SA/MS 蒸發(fā)器在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性與持續(xù)凈化能力，開展了戶外太陽能驅(qū)動蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。以 200 mL 實(shí)際垃圾滲濾液為處理對象，在連續(xù) 4 d 內(nèi)幾乎實(shí)現(xiàn)完全蒸發(fā)（圖 5a），累計收集餾出液 192.5 mL；實(shí)驗(yàn)過程中蒸發(fā)器表面未觀察到明顯污垢沉積或結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)出良好的耐久性與抗污染能力，單日最大蒸發(fā)量可達(dá) 61 mL（圖 5b）。與初始棕褐色滲濾液相比，所得餾出液呈無色透明狀態(tài)（圖 5c）。ICP 分析結(jié)果顯示，K?、Na?、Ca2? 和 Mg2? 的去除率分別達(dá)到 98.2%、99.9%、80.0% 和 75.1%（圖 5d），驗(yàn)證了該體系在實(shí)際工況下對無機(jī)鹽和溶解性離子的高效脫除能力。水質(zhì)分析顯示，餾出液中 COD 與 PO?3? 幾乎被完全去除，而殘留 NH??–N 濃度約為 354 mg·L?1，兼具較低污染風(fēng)險與潛在肥效價值。小麥栽培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原始滲濾液處理組完全抑制種子萌發(fā)，而以蒸出液灌溉的處理組發(fā)芽率可達(dá) 90%，平均株高為 16.2 cm；將蒸出液稀釋 20 倍再灌溉，其植株生長狀態(tài)與去離子水對照組基本一致（圖 5e–g）。上述結(jié)果表明，經(jīng)適當(dāng)稀釋后，該餾出液可作為灌溉水或富氮液體肥料加以利用，實(shí)現(xiàn)水資源回用與營養(yǎng)鹽循環(huán)的雙重效益。

圖5. (a) 垃圾滲濾液室外蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置及為期四天的餾出液收集示意圖；(b) 典型日太陽輻照度、環(huán)境溫度與餾出液收集量的時變化記錄；(c) 實(shí)驗(yàn)樣品對比圖：i：原始滲濾液，ii：收集的餾出液；(d) 原始滲濾液與餾出液中金屬離子濃度對比；(e) 不同水源灌溉9天后小麥幼苗的株高；(f) 不同灌溉條件下小麥生長狀況對比圖；(g) 不同水源灌溉下小麥種子的發(fā)芽率。

為評估太陽能界面蒸發(fā)–高級氧化聯(lián)用技術(shù)（SIE-AOPs）的工程實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)可行性，開展了系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。將 NTC-SA/MS 體系與三種主流滲濾液處理工藝（PC-SPF-BT、ECO 和 SBBGR-EO）進(jìn)行對比（圖 6a–d）。結(jié)果表明，NTC-SA/MS 的綜合運(yùn)行成本最低，僅為 10.33 美元·噸?1，顯著優(yōu)于 ECO（12.81 美元·噸?1）、PC-SPF-BT（45.28 美元·噸?1）和 SBBGR-EO（79.08 美元·噸?1）（圖 6e）。此外，該系統(tǒng)以太陽能為唯一外部能源驅(qū)動，裝置結(jié)構(gòu)簡潔、運(yùn)行過程穩(wěn)定高效，且無需額外化石能源輸入，整體環(huán)境負(fù)荷較低（圖 6f）。其在降低運(yùn)行能耗、減少處理成本及實(shí)現(xiàn)水資源回用方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，充分體現(xiàn)了 SIE-AOPs 技術(shù)在垃圾填埋場滲濾液原位修復(fù)與水資源回收中的應(yīng)用潛力，為構(gòu)建高效、低碳、可持續(xù)的滲濾液處理體系提供了一種切實(shí)可行的解決方案。

圖6.工藝流程圖：(a) SIE-AOPs技術(shù)；(b) PC-SPF-BT工藝；(c) ECO工藝；(d) SBBGR-EO工藝；(e) 各技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)性分析（灰色與紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表總成本下限與上限）；(f) 不同技術(shù)方案綜合對比。

小結(jié)

本文提出并驗(yàn)證了一種光熱–光催化一體化蒸發(fā)器，用于垃圾填埋場滲濾液的高效處理與水資源回用。該系統(tǒng)通過將界面光熱蒸發(fā)與光催化氧化過程深度耦合，在顯著提升水回收效率的同時，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)污染物的原位降解，有效避免了揮發(fā)性有機(jī)物在蒸發(fā)過程中的二次遷移與污染。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)一步表明，該體系兼具較低的單位處理成本與穩(wěn)定的凈化性能。整體而言，該光熱–光催化協(xié)同蒸發(fā)策略為復(fù)雜垃圾滲濾液的原位處理與資源化利用提供了一種高效、低碳且具有工程推廣潛力的解決方案。

文章鏈接

Shi, C., Zhang, J., Wu, P., Xia, M., Jiang, Q., Yang, X., Shi, Y., Owens, G., Pi, K., 2025. An integrated photothermal–photocatalytic strategy for in situ treatment and water reuse of landfill leachate. Journal of Hazardous Materials 498, 139914. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139914