如何解決淡水問題？且看海水淡化材料的神通！

【背景】

2018年9月13日，我國南水北調東中線一期工程累計調水200億立方米，供水量逐年增加，已成為京津冀豫魯地區受水區大中型城市的供水生命線……隨著全球人口數量增加、水污染問題日益嚴重和地下水的過度開采，水資源缺乏已成為人類社會面臨的主要危機之一。有預測稱，到了2025年，世界上將有半數的國家面臨淡水資源緊張的嚴峻形勢，而到2050年，世界上75%的人口將面臨水資源短缺的困境。因此，提升淡水資源供給能力至關重要。隨著綠色共享發展理念不斷深入，作為“開源”的重要補給儲備，海水淡化被視作“解渴”沿海的首善之選。

傳統的海水淡化技術主要包括熱法蒸餾技術和反滲透膜分離技術。熱法主要是通過蒸煮的方法使海水中的水蒸發，再對水蒸氣冷凝收集即可獲得淡水。該技術需要與有大量余熱排放的電廠合作建設，建設、運營成本相對較高。反滲透膜技術是指利用特殊的薄膜材料，對海水施加壓力，使水通過薄膜而截留鹽，從而獲得淡水。壓力需要高壓泵提供，消耗電能。其具有高脫鹽率，耐腐蝕、耐高壓、抗污染等特點，經過反滲透膜處理后的海水，其含鹽量可大大降低，海水的TDS值一般在3萬毫克/升以上。反滲透膜分離技術在海水淡化領域占據主導地位，產品技術多被西方國家壟斷。但是，這種方法每淡化出一噸淡水，有一半的錢都花在能耗上，不但成本高，對環境影響也比較大。近期有研究學者將石墨烯分子篩薄膜應用于海水淡化的研究成果（Nature, DOI:10.1038/nature24044）。

圖1 太陽能蒸餾器模型

而興起的太陽能海水淡化技術（圖1）即利用光能淡化海水。一種是利用太陽能蒸餾器模擬大自然水循環的過程加熱蒸發海水，一種是利用太陽能集熱器或加熱管，將海水加熱到一定溫度后，放入閃蒸或低溫多效蒸餾系統，獲得淡水。

太陽能蒸餾器（圖1）的研究主要集中于材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環保等優點，將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統結合是一種可持續發展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術由于不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高等優點而逐漸受到人們重視。

太陽能蒸餾器一般由三部分組成：海水池、透光蓋和淡水水槽。陽光通過透光蓋照射到海水上，加熱海水并蒸發產生水蒸氣，水蒸氣在透光蓋上冷凝形成液滴，液滴匯聚流入淡水水槽，放出即可獲得純凈水。

但在日常條件下，海水對陽光的吸收率很低，不能有效地將光能吸收用于海水的蒸發。為了增加太陽能的利用效率，對于蒸餾器的使用方式也有多種方案。如：一是將太陽能蒸餾器的海水池底部涂黑，但是該方案無法避免海水對光照的反射；二是用染料將海水染黑，增強海水對光照的吸收。沿著第二條優化路徑，將其與納米光熱技術相結合，如表面增強等離子體效應。

由此，納米光熱流體的概念應運而生，其基本原理是：納米顆粒吸收光照的加熱方式不同于傳統的體加熱，可以在金屬納米顆粒的周圍產生局域的高溫，加熱溶液產生蒸汽，達到更快速蒸發的效果，而不是像煮沸那樣需要將全部的水體進行加熱。如華南理工大學張正國團隊利用石墨、石墨烯作為納米基元，研究了其在離子液、水、石蠟等分散液的光熱轉換性能，研究發現這些體系可以作為太陽能海水淡化技術的熱轉移納米流體（圖2：Solar Energy Materials & Solar Cells 147 (2016) 101-107； Renewable and Sustainable Energy Reviews 72 (2017) 10-32）。孟照國研究團隊也研究了CuO-ATO、ZrC納米流體的光熱海水淡化性能，這些納米顆粒可以顯著的增強納米流體對太陽輻射的吸收，并且納米流體隨固含量的增大，其透射率降低，納米流體表現出了寬波段吸收特性（Solar Energy Materials & Solar Cells, 2017,162: 83-92）。萊斯大學的Halas團隊將的金/二氧化硅核殼結構納米顆粒分在溶液中，形成一種納米流體，利用金納米顆粒的等離激元效應吸收光照加熱海水（圖3：ACS Nano, 2013, 7, 42-49）。然而，太陽能的能量密度畢竟只有l kw/m²要引入熱法海水淡化的處理方案，往往需要加入高倍率的聚光吸收。

圖2 太陽能納米流體示意圖

圖3 納米流體光熱海水淡化示意圖（ACS Nano, 2013, 7, 42-49）

空氣-水界面光蒸汽技術（圖4）是近年來發展的新型光熱轉化機制，原理是借助微納結構材料設計及光學、熱學有效調控，將太陽能充分吸收并將能量轉化局域到氣-液界面，從而使得光-蒸汽能量轉化效率有效提高，并被認為是一種極具前景的高效太陽能光熱轉化途徑（科學通報; doi: 10.1360/N972018-00344）。要實現有效光-蒸汽轉化，對吸收體有很多要求，如吸收體材料需要保持在水面上；吸收體需要有較高太陽能吸收率；吸收能量需要有效加熱與吸收體接觸的水層，從而快速高效地實現水到水蒸氣轉化的過程。近年來有多個課題組對各種光熱材料應用于太陽能產生蒸汽進行了大量研究，有望應用于高效海水淡化。

圖4 各種用于太陽能蒸汽的光熱結構（Environ. Sci.: Nano, 2018, 5,1078-1089）

（1）碳基光熱材料：由于碳材料成本低廉、光吸收好，具有優秀的穩定性，是目前為止太陽能光蒸汽轉化的主要吸光材料之一。碳基材料中的光吸收涉及電子的激發和被激發的電子隨后的弛豫兩個過程。光激發的電子通過電子-電子散射快速熱化，從而實現了光到熱的轉化。目前為止，典型的碳材料如炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、碳納米管等。2014年，麻省理工學院陳剛團隊報道了由碳泡沫和石墨構成的雙層海綿結構，通過熱局域的方法實現高效光蒸汽轉化，可以把水加熱到100攝氏度，光能-蒸汽能的轉化效率可達85%。但是只能在比自然陽光強10倍的人工光源下才能達到這種效率，即該材料的光聚焦效率較低（圖5：Nature Communications, 2014 5:4449）。隨后，2016年，該團隊又研究了一種復合結構，在一個太陽光照射下，仍可使水溫升高到100度。該設計是將泡沫材料和選擇性吸收材料一起，阻止熱從海綿表面逃出。一旦熱被俘獲，銅片將熱導入一個挖出的空穴中。當這塊吸光海綿放入水中后，水進入了空穴并被加熱到100攝氏度，然后變成蒸汽放出（Nature Energy, 2016, 1, 16126）。紐約州立大學布法羅分校的甘巧強和復旦大學的江素華團隊等合作，設計出一種便攜式太陽能蒸餾器。該系統不需要昂貴笨重的光學聚焦組件，通過使用價格低廉的炭黑粉末、親水多孔紙張和聚苯乙烯泡沫塑料制成的“黑紙”，可以使太陽能轉換效率達到88%（太陽能的88%都被用于蒸發水）（Global Challenges, 2017, 1, 1600003）。

圖5 太陽能光蒸汽雙層膜結構（Nature Communications, 2014 5:4449）

（2）等離子體激元材料：是指在激光共振照明下，等離子體激發的電子在朗道阻尼機制下進行非輻射的衰減，并通過電子-電子和電子-聲子散射過程將其能量重新分配，使光吸收率接近100%。2016年，南京大學朱嘉團隊利用等離激元增強效應實現了高效太陽能海水淡化（能量傳遞效率~90%，淡化前后鹽度降低4個數量級）。該研究發現，三維鋁顆粒等離激元黑體材料是實現高效率太陽能海水淡化的絕佳體系（圖6：Nature Photonics，DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.75）。該團隊微結構光子學設計引入太陽能光蒸汽轉化材料中，發展了獨特的基于多孔氧化鋁模板納米顆粒自組裝方法，實現對太陽光的寬譜高效吸收（Sci Adv,? 2016, 2: e1501227）。從以上的研究看，二維薄膜材料占據了海水淡化的半壁江山，但三維材料是否更有優勢？2018年，阿卜杜拉科技大學Peng Wang教授介紹了一種3D光熱結構，能夠回收2D光熱材料中的大部分損失的能量，從而打破了2D材料的能量極限。通過有目的地從周圍空氣中收集熱量，進一步改善了3D光熱材料的太陽能蒸汽產生率，有高達2.04 kg /m²/h的蒸汽產生率。

圖6 用于海水淡化的表面等離子基元示意圖（Nature Photonics，DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.75）

【小結】

隨著技術的進步和研究的進一步深入，借助各種外界環境能量，蒸汽蒸發速率有望可以進一步提升。如北京理工大學曲良體團隊就借助光電熱等多種能量形式增加海水淡化能力。研究發現在一個標準太陽光照射下測試表明，結合光-電-熱效應的水蒸發速率可以達到2.01-2.61 kg /m²/h。水蒸發速率可以通過調控光電轉換進一步提高。在室外自然太陽光下，按8h計算，利用每平方米的石墨烯材料可以收集8.6kg淡化清潔水，只需幾平方米就能滿足數人的日常飲水需求（Adv. Mater. 2018, 1706805）。因此無論是納米顆粒、二維薄膜還是3D結構，能夠對太陽光高效的吸附太陽光并轉化成熱量才是最重要的，同時可以利用自然界中的蘑菇、樹木、氣凝膠、泡沫等結構設計用于海水淡化的太陽能蒸汽材料。

本文由材料人科技顧問劉博士供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。 ?