化学-物理过程耦合的水处理微场构造原理与作用机制

It is an important way to improve the efficiency of water treatment by accurately controlling the mass and the electron transfer, as well as the rational design and effective utilization of the solid/water interface. However, the traditional rude manipulation method failed to meet the growing needs for innovation and reform in water treatment technology. It is the research frontier of water science and technology that through tuning of the material characteristics in nano- to micro scale, coupling the transformation of pollutants and the interfacial physic-chemical processes, the electron, proton or active species can be utilized in effective way. Therefore, in this project, we will design and construct a cluster of micro reactors with enhanced mass and electron transfer through optimization the nanoscale geometry and functionality of the materials. In the micro reactor, the micro flow field and electric field will optimize the physic-chemical processes, such as redox conversion, adsorption and precipitation, regeneration, waste recovery and energy harvesting. The thread running through this project is to design materials in nanoscale, collaborate multi-processes, followed by online regulation and technology development. We will break through the coupling mechanism of micro flow field and micro electric field, elucidate the mass transfer and transformation of pollutants in the micro fields, clarify the optimization and regulation approaches for the micro field water treatment technology, establish water treatment system through highly integrated micro reactors and finally enable a disruptive innovation for water treatment technology.

精确调控物质传递和电子转移，合理构建并有效利用多相微界面过程，是提高水处理效率的重要途径。然而，传统宏观尺度下的粗放式过程已远不能满足对水处理技术创新与变革的需求。如何通过微尺度下材料的精细设计，将污染物的转化和界面行为进行原理和过程融合，使电子、质子、活性物种等得到有效传递与合理利用，是水处理科技研究的前沿性方向。为此，本项目拟通过材料微观几何形貌设计和功能结构优化，以强化传质和电子转移为核心机制，构造一个高度凝缩的反应空间，优化其内部微流场和微电场的耦合作用，使氧化还原、吸附沉淀、材料再生、污染物资源化和能源化等过程在微场中协同实现；以微观设计-原理协同-过程调控-工艺构建为主线，重点突破微流场-微电场耦合的净水微系统构造原理，阐明微场中污染物的传质过程与转化机制，确定微场水处理优化条件与调控途径，创建由微场高度集成的宏观净水反应器与新工艺，推动水处理技术原理和工艺模式的颠覆性变革。

如何在微尺度下精细设计净水材料，通过微界面构造与调控，强化水处理过程中电子、质子、活性物种等的高效传质与利用，实现污染物的高效去除与资源能源协同转化，是水质净化的重要方向。本项目通过对材料性能和反应器构造的微纳设计，在高度凝缩的传质和反应空间中，形成微流场、微电场、微热场的耦合功能性微场系统，重点关注了反应微空间中多物理场耦合作用，揭示了界面物质传递、电子转移与能量转化的协同机制，开发了穿透式电极及电化学反应器，以及高效光热蒸发脱盐、限域多级结构非均相催化等多物理场强化水处理技术原理与工艺系统，取得的主要创新成果包括：（1）揭示了穿透式电极的多物理场构造及其净水-产能协同机制。明确了微流场和微电场强化污染物与催化活性位点之间电子传递的规律，研制了多微孔穿透式电极，考察了孔结构对电极内部微流场、微电场以及界面传质行为的影响机制；在此基础上构建了穿透式连续流反应器，提升电子转移和物质传递效率，实现污染物的高效降解和同步产能。（2）创建了强化光热蒸发及脱盐净水的微流场-微热场调控方法。通过调控光热蒸发材料微观孔道的尺寸、取向和结构，实现了界面流场与热场的协同作用，优化光热界面蒸发性能；制备了各向异性光热蒸发材料，实现流场-热场解耦合，形成了优异的抗盐结晶污染和高效稳定的光热界面蒸发脱盐过程。（3）提出了协同强化活性物种原位产生及利用的微物理场构造原理。揭示了微纳形貌强化活性位点暴露的作用机制，发现限域空间增强传质与提高自由基利用效率的机理，开发出物理化学协同强化的高级氧化技术，大幅提升污染物降解速率。项目阐明了微流场-微电场-微热场等多场耦合机制，突破了净水材料制备和高效反应器的构建技术，提出了性能独特、高效绿色的水处理新技术和新工艺原理。发表SCI论文40篇，并在工业废水处理、地下水修复和饮用水净化等方面成功应用。本项目培养博士研究生4人，硕士3人，骨干人员中1人获得基金委杰出青年基金资助，2人获得优秀青年基金资助，1人作为核心成员参与创新研究群体项目，1人获得德国洪堡奖学金资助，2人获得博士后创新人才支持计划资助。