南京大学Nature Sustainability:巧妙发明!一种利用太阳能在废水中提氨的装置

1.浮漂式局部碱化-界面光热协同材料设计

本研究构筑了可漂浮的AMS，在Ti₃C₂ MXene宽带光热骨架上高密度接枝-NH₂，形成疏上亲下的Janus结构，使海绵漂浮于水-气界面时能够同时捕获H⁺并定域升温，从而在热力学（平衡右移）和传质（挥发加速）两方面协同提升NH₃挥发速率。

2.无碱无外能的高通量氨回收-盐酸共生闭环

本研究利用该AMS在5 sun自然光下（无需投碱和外部加热）8h即可实现0.6 molm⁻²h⁻¹、纯度99.8%的NH₃高通量回收，并在光强升至15 sun时通过-NH₂·H⁺键的热解“一照再生”材料，同时获得10wt%的NH₃溶液与0.67wt%的盐酸，构建了完整的“吸氨-吐酸”闭环流程。

3.可完全光再生耐久性与多源废水适配性

本研究通过多轮强光循环和户外原型测试证明了AMS的耐久性与适配性：材料在不同阴离子体系（NH₄Cl、(NH₄)₂SO₄等）中仍保持高回收效率，且户外9h实测显示每平方米处理1.12 L含铵废水并回收约280 mL的高纯NH₃溶液，验证了其工程可行性。

4.低碳足迹与显著经济收益

本研究的生命周期评估表明，该太阳驱动策略生产1 t NH₃仅排放0.102 tCO₂-e（显著低于Haber-Bosch的3.27 t和光伏-电氢路线的1.13 t），而技术经济分析预测AMS可实现年净利润91.3 USDm⁻²、投资回收期约3.5年，展现了兼具减碳与盈利的绿色氮循环范式。

图1展示了传统“投碱+电加热”路线与本研究提出的AMS太阳驱动策略的机理差异：前者需大量碱剂捕获H⁺且依赖电加热蒸氨，成本与能耗双高；后者利用-NH₂基团局部“锁”H⁺，并借Ti₃C₂光热实现界面蒸氨，无需外加化学品和能源。强光下AMS还能“一键光再生”并同步产出0.67wt%的盐酸，形成“吸氨-吐酸”闭环，从热力学与传质双重维度推动反应平衡向NH₃生成侧位移。

图2详述三步法（Ti₃C₂浸渍→碳化→APTES/FAS修饰）制备的大块海绵仍保持40–200 µm孔道。紫外-近红外光谱表明AMS对整个太阳光谱的平均吸收率约96%，3–10 sun条件下表面温度可由167 °C提升至320 °C，实现高效界面光热。接触角测试确认上层疏水/下层亲水的Janus结构；FTIR与XPS新出现Ti-O-Si与N-H峰证实-NH₂成功嫁接，HCl-TPD显示200–400 °C可稳定捕-放H⁺，为可逆再生提供依据。

图3系统评估了AMS在不同光强下的回收表现：NH₃溶液浓度随光强由1 sun升至5 sun从0.45wt%增至1.04wt%，并在5 sun条件下取得0.6 mol m⁻² h⁻¹、99.8%纯度的NH₃回收速率；当光强升至10 sun，“吐酸”再生机制导致浓度略降。COMSOL模拟与HCl-TPD/原位FTIR共同揭示：-NH₂基团显著降低界面H⁺浓度、提高NH₃浓度梯度，对HCl拥有更强亲和力，实现NH₃/HCl原位分离。通过五级串联蒸发，氨水浓度最高可达9.56wt%，且在五轮光再生后性能几乎无衰减。

图4描述了0.92 kW m⁻²峰值通量下的1 m²户外原型：在9 h内处理1.12 L的NH₄⁺废水并回收约280 mL纯NH₃溶液，COD与Na⁺/K⁺/Ca²⁺/Mg²⁺去除率均大于99%。所获氨水直接用于生菜栽培，20天对比显示施肥组长势明显优于对照，验证了“太阳氮肥”的无毒增产潜力。

图5基于中国24个省份年排NH₄Cl废水量，预测AMS每年可同时回收16.5 kg m⁻²的NH₃与5.9 kg m⁻²的HCl（以江苏为例），展现大规模资源化潜力。完整LCA显示单位NH₃碳排仅0.102 tCO₂e，远低于Haber-Bosch（3.27 t）与光伏-电氢制氨（1.13 t）；技术经济分析预测AMS净利润可达91.3 USDm⁻²·年，投资回收期约3.5年，兼具减碳与盈利能力。