重大突破！武大团队以低成本零排放方案修复盐碱地

07-31 06:57

近日，武汉大学资源与环境科学学院邓红兵、陈朝吉教授团队在盐碱地修复领域取得新突破。他们实现脱盐器单件成本仅3分钱，且不排放任何高盐废水。相关成果已发表在英国皇家化学会期刊Materials Horizons上。武汉大学弘毅博士后董向阳为第一作者，资源与环境科学学院邓红兵、陈朝吉教授为通讯作者。下面，让我们一起了解他们是如何实现低成本、零排放修复盐碱地的。

中国是世界第三大土地盐碱化国家，有36万km²土地存在不同程度的盐碱化，且面积还在持续扩大。开展盐碱地修复工作，对于守牢18亿亩耕地红线、维护我国粮食安全至关重要。

▲全球盐碱地和缺水情况分布图

然而，在土地盐碱化地区进行土壤脱盐工作面临困境。这些地区淡水资源匮乏，盐水资源丰富。传统修复技术存在诸多弊端，土壤淋洗法需消耗大量淡水，土壤调理剂要结合土壤淋洗法使用，耐盐碱植物早期也需要淡水灌溉，且修复周期长，无法解决依赖淡水和排放废水的问题。

▲利用咸水作为“工作介质”抽取土壤盐分示意图

邓红兵、陈朝吉教授团队长期致力于农林废弃生物质高值化利用研究，他们思考能否将农林废弃生物质转化成高性能材料，利用当地富余的咸水作为“工作介质”，把土壤里的盐分“抽”出来，在材料表面结晶成固体盐，从而避免淡水依赖和废水排放的限制。

▲图a：不同材质构成的脱盐装置；图b：土壤修复模式；图c：修复过程中的土壤盐度变化；图d：大田实验；图e：大田实验修复前后土壤含盐量和小麦发芽情况

团队历时两年，利用滤纸、吸管、地膜构建了零废水排放的非接触式太阳能界面蒸发土壤脱盐器（图a和b）。具体做法是将包裹有滤纸的吸管插入覆盖了地膜的盐碱地中。通过黑色地膜（光热层）与纸包裹吸管（蒸发层）的分离设计，太阳光被转化为10μm红外辐射驱动脱盐器工作，避免盐分在蒸发界面堆积导致的光吸收性能衰减；滤纸的随机纤维结构显著降低盐分表观扩散系数，结合柱状设计的扩散距离延长及蒸发对流效应，实现了盐分从土壤到脱盐器的单向迁移与废水零排放。

最终，在直接使用盐水的条件下，土壤盐分从11.04mg/g降至0.95mg/g（降幅93%），与淡水修复效果无明显区别（图c），完全满足小麦生长需求（图d和e）。修复结束后，吸管表面结出肉眼可见的盐颗粒，表明土壤中的盐分被吸管“吸”走了。而且这种方法适用于多种盐碱化土壤类型，对沙土、壤土、黏土都有良好效果，真正把“废弃生物质”升级为“盐碱地修复器”。

▲吸管表面结出肉眼可见的盐颗粒

邓红兵、陈朝吉教授团队的研究创新之处在于，通过太阳能辅助蒸发方法，首次实现“零废水、零淡水”的盐碱地治理。全过程盐分以固体晶体形式回收，无高盐尾液外排；灌溉水直接取自当地微咸水/咸水，不再与农业、生态争淡水。

同时，团队考虑到大规模应用，装置设计简单、经济。用最便宜的农林废弃生物质制造土壤修复装置，成本低廉，每根只需3分钱。脱盐器装置的制造工艺和制作吸管的工艺相似，可用现有的吸管制造设备直接生产，一分钟能生产300根。

▲可利用成熟饮料吸管包装生产线量产

团队基于联合国粮农组织（FAO）的数据预测，在不考虑新开垦耕地的情况下，全球范围内，仅小麦一种作物，该装置便能实现增产约780万吨/年，相当于每年多养活2000万人，中国小麦粮食产量提升约2.18%，约多养活600万人，有望为我国乃至全球农业生产和粮食安全提供重要保障。在盐碱化严重的西北地区，尤其是新疆地区，小麦产量有望显著提高。