如何解决淡水问题？且看海水淡化材料的神通！

【背景】

2018年9月13日，我国南水北调东中线一期工程累计调水200亿立方米，供水量逐年增加，已成为京津冀豫鲁地区受水区大中型城市的供水生命线……随着全球人口数量增加、水污染问题日益严重和地下水的过度开采，水资源缺乏已成为人类社会面临的主要危机之一。有预测称，到了2025年，世界上将有半数的国家面临淡水资源紧张的严峻形势，而到2050年，世界上75%的人口将面临水资源短缺的困境。因此，提升淡水资源供给能力至关重要。随着绿色共享发展理念不断深入，作为“开源”的重要补给储备，海水淡化被视作“解渴”沿海的首善之选。

传统的海水淡化技术主要包括热法蒸馏技术和反渗透膜分离技术。热法主要是通过蒸煮的方法使海水中的水蒸发，再对水蒸气冷凝收集即可获得淡水。该技术需要与有大量余热排放的电厂合作建设，建设、运营成本相对较高。反渗透膜技术是指利用特殊的薄膜材料，对海水施加压力，使水通过薄膜而截留盐，从而获得淡水。压力需要高压泵提供，消耗电能。其具有高脱盐率，耐腐蚀、耐高压、抗污染等特点，经过反渗透膜处理后的海水，其含盐量可大大降低，海水的TDS值一般在3万毫克/升以上。反渗透膜分离技术在海水淡化领域占据主导地位，产品技术多被西方国家垄断。但是，这种方法每淡化出一吨淡水，有一半的钱都花在能耗上，不但成本高，对环境影响也比较大。近期有研究学者将石墨烯分子筛薄膜应用于海水淡化的研究成果（Nature, DOI:10.1038/nature24044）。

图1 太阳能蒸馏器模型

而兴起的太阳能海水淡化技术（图1）即利用光能淡化海水。一种是利用太阳能蒸馏器模拟大自然水循环的过程加热蒸发海水，一种是利用太阳能集热器或加热管，将海水加热到一定温度后，放入闪蒸或低温多效蒸馏系统，获得淡水。

太阳能蒸馏器（图1）的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。

太阳能蒸馏器一般由三部分组成：海水池、透光盖和淡水水槽。阳光通过透光盖照射到海水上，加热海水并蒸发产生水蒸气，水蒸气在透光盖上冷凝形成液滴，液滴汇聚流入淡水水槽，放出即可获得纯净水。

但在日常条件下，海水对阳光的吸收率很低，不能有效地将光能吸收用于海水的蒸发。为了增加太阳能的利用效率，对于蒸馏器的使用方式也有多种方案。如：一是将太阳能蒸馏器的海水池底部涂黑，但是该方案无法避免海水对光照的反射；二是用染料将海水染黑，增强海水对光照的吸收。沿着第二条优化路径，将其与纳米光热技术相结合，如表面增强等离子体效应。

由此，纳米光热流体的概念应运而生，其基本原理是：纳米颗粒吸收光照的加热方式不同于传统的体加热，可以在金属纳米颗粒的周围产生局域的高温，加热溶液产生蒸汽，达到更快速蒸发的效果，而不是像煮沸那样需要将全部的水体进行加热。如华南理工大学张正国团队利用石墨、石墨烯作为纳米基元，研究了其在离子液、水、石蜡等分散液的光热转换性能，研究发现这些体系可以作为太阳能海水淡化技术的热转移纳米流体（图2：Solar Energy Materials & Solar Cells 147 (2016) 101-107； Renewable and Sustainable Energy Reviews 72 (2017) 10-32）。孟照国研究团队也研究了CuO-ATO、ZrC纳米流体的光热海水淡化性能，这些纳米颗粒可以显著的增强纳米流体对太阳辐射的吸收，并且纳米流体随固含量的增大，其透射率降低，纳米流体表现出了宽波段吸收特性（Solar Energy Materials & Solar Cells, 2017,162: 83-92）。莱斯大学的Halas团队将的金/二氧化硅核壳结构纳米颗粒分在溶液中，形成一种纳米流体，利用金纳米颗粒的等离激元效应吸收光照加热海水（图3：ACS Nano, 2013, 7, 42-49）。然而，太阳能的能量密度毕竟只有l kw/m²要引入热法海水淡化的处理方案，往往需要加入高倍率的聚光吸收。

图2 太阳能纳米流体示意图

图3 纳米流体光热海水淡化示意图（ACS Nano, 2013, 7, 42-49）

空气-水界面光蒸汽技术（图4）是近年来发展的新型光热转化机制，原理是借助微纳结构材料设计及光学、热学有效调控，将太阳能充分吸收并将能量转化局域到气-液界面，从而使得光-蒸汽能量转化效率有效提高，并被认为是一种极具前景的高效太阳能光热转化途径（科学通报; doi: 10.1360/N972018-00344）。要实现有效光-蒸汽转化，对吸收体有很多要求，如吸收体材料需要保持在水面上；吸收体需要有较高太阳能吸收率；吸收能量需要有效加热与吸收体接触的水层，从而快速高效地实现水到水蒸气转化的过程。近年来有多个课题组对各种光热材料应用于太阳能产生蒸汽进行了大量研究，有望应用于高效海水淡化。

图4 各种用于太阳能蒸汽的光热结构（Environ. Sci.: Nano, 2018, 5,1078-1089）

（1）碳基光热材料：由于碳材料成本低廉、光吸收好，具有优秀的稳定性，是目前为止太阳能光蒸汽转化的主要吸光材料之一。碳基材料中的光吸收涉及电子的激发和被激发的电子随后的弛豫两个过程。光激发的电子通过电子-电子散射快速热化，从而实现了光到热的转化。目前为止，典型的碳材料如炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管等。2014年，麻省理工学院陈刚团队报道了由碳泡沫和石墨构成的双层海绵结构，通过热局域的方法实现高效光蒸汽转化，可以把水加热到100摄氏度，光能-蒸汽能的转化效率可达85%。但是只能在比自然阳光强10倍的人工光源下才能达到这种效率，即该材料的光聚焦效率较低（图5：Nature Communications, 2014 5:4449）。随后，2016年，该团队又研究了一种复合结构，在一个太阳光照射下，仍可使水温升高到100度。该设计是将泡沫材料和选择性吸收材料一起，阻止热从海绵表面逃出。一旦热被俘获，铜片将热导入一个挖出的空穴中。当这块吸光海绵放入水中后，水进入了空穴并被加热到100摄氏度，然后变成蒸汽放出（Nature Energy, 2016, 1, 16126）。纽约州立大学布法罗分校的甘巧强和复旦大学的江素华团队等合作，设计出一种便携式太阳能蒸馏器。该系统不需要昂贵笨重的光学聚焦组件，通过使用价格低廉的炭黑粉末、亲水多孔纸张和聚苯乙烯泡沫塑料制成的“黑纸”，可以使太阳能转换效率达到88%（太阳能的88%都被用于蒸发水）（Global Challenges, 2017, 1, 1600003）。

图5 太阳能光蒸汽双层膜结构（Nature Communications, 2014 5:4449）

（2）等离子体激元材料：是指在激光共振照明下，等离子体激发的电子在朗道阻尼机制下进行非辐射的衰减，并通过电子-电子和电子-声子散射过程将其能量重新分配，使光吸收率接近100%。2016年，南京大学朱嘉团队利用等离激元增强效应实现了高效太阳能海水淡化（能量传递效率~90%，淡化前后盐度降低4个数量级）。该研究发现，三维铝颗粒等离激元黑体材料是实现高效率太阳能海水淡化的绝佳体系（图6：Nature Photonics，DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.75）。该团队微结构光子学设计引入太阳能光蒸汽转化材料中，发展了独特的基于多孔氧化铝模板纳米颗粒自组装方法，实现对太阳光的宽谱高效吸收（Sci Adv,  2016, 2: e1501227）。从以上的研究看，二维薄膜材料占据了海水淡化的半壁江山，但三维材料是否更有优势？2018年，阿卜杜拉科技大学Peng Wang教授介绍了一种3D光热结构，能够回收2D光热材料中的大部分损失的能量，从而打破了2D材料的能量极限。通过有目的地从周围空气中收集热量，进一步改善了3D光热材料的太阳能蒸汽产生率，有高达2.04 kg /m²/h的蒸汽产生率。

图6 用于海水淡化的表面等离子基元示意图（Nature Photonics，DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.75）

【小结】

随着技术的进步和研究的进一步深入，借助各种外界环境能量，蒸汽蒸发速率有望可以进一步提升。如北京理工大学曲良体团队就借助光电热等多种能量形式增加海水淡化能力。研究发现在一个标准太阳光照射下测试表明，结合光-电-热效应的水蒸发速率可以达到2.01-2.61 kg /m²/h。水蒸发速率可以通过调控光电转换进一步提高。在室外自然太阳光下，按8h计算，利用每平方米的石墨烯材料可以收集8.6kg淡化清洁水，只需几平方米就能满足数人的日常饮水需求（Adv. Mater. 2018, 1706805）。因此无论是纳米颗粒、二维薄膜还是3D结构，能够对太阳光高效的吸附太阳光并转化成热量才是最重要的，同时可以利用自然界中的蘑菇、树木、气凝胶、泡沫等结构设计用于海水淡化的太阳能蒸汽材料。

本文由材料人科技顾问刘博士供稿。

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