基于壳聚糖生物炭气凝胶的Ca2+/Mg2+选择性吸附技术及其在海水淡化浓盐水软化中的应用

为解决海水淡化浓盐水(SDB)中高浓度Ca2+/Mg2+引发的膜污染问题，四川大学团队创新开发了脱乙酰度梯度调控的壳聚糖生物炭气凝胶(CBA)。研究通过高温热解85%/95%脱乙酰度(DD)壳聚糖构建三维多孔材料CBA85/CBA95，其比表面积达107.04 m2/g（为传统活性炭气凝胶ACA的3.14倍），对Ca2+/Mg2+最大吸附量分别达5.15 mg/g和9.37 mg/g，固定床反应器经9次循环仍保持87%/91%去除率。青岛中试证实其工业潜力，为SDB软化提供环保解决方案。

　　

全球40%国家面临水资源短缺，海水淡化成为关键解决方案，但反渗透(RO)等工艺产生的浓盐水(SDB)含有12%-18%的Ca²⁺/Mg²⁺，会形成CaCO₃/CaSO₄垢层，使RO能耗升至3.5-4.2 kWh/m³。传统化学沉淀法产生污泥，离子交换需腐蚀性再生剂，而吸附法虽环保却缺乏高效材料。四川大学Baicang Liu团队在《Desalination》发表研究，通过调控壳聚糖脱乙酰度(DD)开发了生物炭气凝胶(CBA)，为SDB软化提供新思路。

研究采用高温热解法制备85%/95% DD壳聚糖生物炭，通过冷冻干燥构建气凝胶；使用SEM/BET表征材料形貌，ICP-OES检测离子浓度，结合Langmuir模型分析吸附机制；固定床实验评估循环性能，并在青岛SDB开展中试验证。

Structural and chemical properties of biochar aerogels
SEM显示CBA95比传统活性炭气凝胶(ACA)具有更发达介孔结构，BET比表面积达107.04 m²/g。XPS证实其富含氨基/羟基，FTIR显示吡啶氮含量是ACA的2.1倍，为离子吸附提供活性位点。

Adsorption performance evaluation
在pH=8、25℃条件下，CBA95对Ca²⁺/Mg²⁺吸附符合Langmuir模型（R²>0.99），表明单层化学吸附。分配系数K_d分别达164.25 mL/g和42.73 mL/g，优于ACA 3.8倍。

Reusability and pilot-scale validation
固定床实验显示，CBA95经9次吸附-脱附循环后效率保持87%（Ca²⁺）和91%（Mg²⁺）。青岛中试实现72.3% Ca²⁺和74.6% Mg²⁺去除率，证实工程可行性。

该研究首次阐明DD梯度调控对壳聚糖生物炭性能的影响机制，证实静电作用和络合吸附协同机制。CBA95的循环稳定性与中试效果为工业应用奠定基础，其环境友好特性契合可持续发展需求，为海水淡化产业链的降耗增效提供关键技术支撑。