本研究由太原理工大学材料科学与工程学院的左志超与朱峰波（共同第一作者）、陕西科技大学机电工程学院的安盟以及浙江大学高分子科学与工程学系的郑强（通讯作者）等合作完成，发表于 Chemical Engineering Journal 第481卷，文章编号148524，于2024年1月3日在线发表，DOI为10.1016/j.cej.2024.148524。

研究的核心问题是利用太阳能驱动界面水蒸发技术处理含多价金属离子的工业废水。传统的太阳能蒸馏器在纯水中性能优异，但工业污水中大量水合金属离子的存在会提高水的蒸发能垒，导致蒸发效率显著下降。已有研究表明，基于聚离子复合物（polyion complex, PIC）水凝胶的蒸发器可以利用离子响应特性，在含盐水中反而提高蒸发速率，但此前的设计主要针对海水淡化中的一价盐（如NaCl），对于以多价重金属离子为主的工业废水仍缺乏系统探索。因此，本研究提出了一种基于PIC水凝胶/煤粉复合材料（PIC hydrogel/coal powder composite, PCC）的太阳能蒸汽发生器（solar vapor generator, SVG），通过捕获废水中多价金属离子，同步实现高效蒸发与长期运行稳定性。

研究的第一部分为材料设计与理论计算。研究团队选用带负电的聚对苯乙烯磺酸钠（poly(sodium p-styrenesulfonate), PNaSS）和带正电的聚（3-（甲基丙烯酰胺基）丙基三甲基氯化铵）（poly(3-(methacryloylamino)propyl-trimethylammonium chloride), PMPTC）构建PIC水凝胶骨架。通过第一性原理计算（first-principle calculations）分析了PMPTC与PNaSS单体分子的电荷密度分布，结果显示PNaSS中的磺酸基团表面富电子（蓝色区域），对金属阳离子具有强静电吸引力，而PMPTC中的氨基基团表面缺电子（红色区域），对阴离子具有排斥作用。结合能计算表明，Ca²⁺与PNaSS–PNaSS分子对之间的结合能为−2.17 eV，显著大于Na⁺与相同分子对的−1.42 eV；Ca²⁺与其他分子对的结合能也均高于Na⁺，说明多价金属离子与聚合物链之间的相互作用更强，能够更有效地稳定PIC网络结构。分子动力学模拟得到的径向分布函数进一步证实Ca²⁺在PNaSS周围比在PMPTC周围排列更紧密有序。这些理论结果为利用PIC骨架捕获多价离子以提升结构稳定性提供了依据。

第二部分为PCC复合材料的制备与表征。研究者将褐煤经球磨4小时得到粒径小于10 μm的煤粉（coal powder, CP），将一定量煤粉分别分散在PNaSS和PMPTC稀溶液中，再将两种溶液等体积混合，通过静电、疏水和范德华力作用自组装形成PCC沉淀。根据每1 mL PNaSS和PMPTC溶液中加入煤粉的质量，样品分别命名为PCC-0、PCC-0.05、PCC-0.1和PCC-0.15。制备过程仅涉及物理混合，无需化学反应，具有环境友好性。扫描电子显微镜（SEM）观察显示PCC具有分层多孔结构，压汞法测得孔径分布在1–300 μm之间。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了PIC特征峰（1483和1534 cm⁻¹处对应季铵基和C–N–H基团）以及煤粉特征峰（2850和2923 cm⁻¹处对应–CH₃和–CH₂–）在复合材料中同时保留。紫外–可见–近红外光谱表明煤粉的加入增强了PCC的光吸收能力。接触角测试显示水滴可在PCC表面迅速吸收，证明其具有优异的亲水性和毛细输水能力。在一个太阳光照下，PCC表面温度在10分钟内升至34.2 °C，最终稳定在37.4 °C，表明PCC基SVG能够将热量限制在蒸发界面附近，减少向底部水体的热损失。

第三部分为SVG性能测试。在纯水中，煤粉含量为0.1时PCC展现出最高蒸发速率3.11 kg·m⁻²·h⁻¹，能量转换效率约为90.3%。而在模拟工业废水（3.5 wt% CaCl₂溶液）中，PCC-0.1的蒸发速率进一步提高至3.6 kg·m⁻²·h⁻¹，能量效率达到92%。通过计算等效蒸发焓（equivalent vaporization enthalpy, he）发现，在含Ca²⁺溶液中所有PCC样品的he均低于纯水中的值，其中PCC-0.1的he最低，为1021 J·g⁻¹。这一现象与多价离子激活水分子状态有关。拉曼光谱分析显示，PCC中水分子的O–H伸缩振动峰可分为自由水（free water, FW，位于3215和3409 cm⁻¹）和中间水（intermediate water, IW，位于3488和3613 cm⁻¹）。在CaCl₂溶液中，IW与FW的比值增大，说明离子捕获后聚合物网络周围更多水分子处于弱氢键或非氢键结合状态，更容易从水凝胶中逃逸，从而降低了蒸发所需能量。此外，作者排除了CaCl₂溶液表面蒸汽压降低对蒸发速率的影响，因为在35 °C下3.5 wt% CaCl₂溶液的表面蒸汽压仅为纯水的99%，贡献可以忽略。

第四部分为长期耐久性测试。在3.5 wt% CaCl₂溶液中，PCC-0.1在连续5天、每天5小时光照测试中保持蒸发速率稳定在3.5–3.6 kg·m⁻²·h⁻¹。而在3.5 wt% NaCl溶液中，虽然初始蒸发速率约为3.1 kg·m⁻²·h⁻¹，但到第五天降至约1.5 kg·m⁻²·h⁻¹。进一步分析表明，在Ca²⁺溶液中PCC-0.1的饱和含水量和水分传输速率随时间保持稳定，而在Na⁺溶液中则持续下降。SEM观察显示，经过5天耐久性测试后，PCC-0.1在Ca²⁺溶液中仍保持明显孔隙结构，而在Na⁺溶液中孔隙结构严重损失。这一对比证实了多价离子通过桥接PNaSS链增强聚合物网络间相互作用，稳定了PCC的多孔结构；而Na⁺则削弱了PNaSS与PMPTC之间的静电作用，导致结构坍塌。

第五部分为实际废水净化验证。研究者使用取自山西省清徐县金阳选煤厂的实际选煤废水（coal washery wastewater, CWW）进行了为期三周的连续测试。PCC-0.1在整个测试期间保持稳定的蒸发速率，净化后的水清澈透明。电阻测试显示净化水电阻值为1.74 MΩ，是原废水的174倍，也高于生活用水的2倍。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析表明，净化水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺四种主要离子的浓度显著降低，达到世界卫生组织（WHO）饮用水标准。PCC-0.1还能有效处理含Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺等重金属离子的模拟工业废水，蒸发速率保持稳定，净化后重金属离子浓度大幅下降。此外，研究团队在太原理工大学校园内进行了户外实验，在自然阳光条件下，PCC基SVG的最高蒸发速率可达2.7 kg·m⁻²·h⁻¹，验证了实际应用潜力。

本研究的结论是，通过将PIC水凝胶骨架与低成本煤粉相结合构建的PCC基SVG，能够利用废水中的多价金属离子强化聚合物网络结构并激活水分子状态，从而实现高效且长期稳定的太阳能驱动污水净化。该策略突破了传统蒸馏器在高浓度多价离子废水中性能衰减的瓶颈，为工业废水处理提供了新的设计思路。

本研究的亮点包括：第一，首次提出利用废水中多价金属离子作为“增强剂”来稳定水凝胶结构并提高蒸发性能的策略；第二，采用廉价且广泛可得的煤粉作为光热吸收材料，有效降低了SVG的制备成本；第三，通过第一性原理计算、分子动力学模拟与实验表征相结合，系统阐明了多价离子与聚合物链之间的相互作用机制；第四，在实际选煤废水中实现了长达三周的稳定运行，证明了该技术的实用可行性。