研究背景

“山有百藏而不言，水潤萬物而不語”、“上善若水，水利萬物而不爭”等彰顯了水的高貴品質，更表明其對萬物生長至關重要。然而，陸地上的淡水資源儲量僅占地球上水體總量的2.53%，其中固體冰川約占淡水總儲量的68.69%，主要分布在兩極地區而難以利用。海水占據了地球上絕大部分水資源，但不適合人類等飲用，並且海水中含有大量的礦物質，因此將海水轉化爲淡水，可有效緩解水資源短缺的問題。海水淡化（Seawater Desalination）即利用海水脫鹽生産淡水，是實現水資源利用的開源增量技術，可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，可以保障沿海居民飲用水和工業鍋爐補水等穩定供水。所用的海水淡化方法有海水凍結法、電滲析法、蒸餾法、反滲透法等方法，其中反滲透膜的反滲透法因其設備簡單、易于維護和設備模塊化的優點迅速占領市場，逐步取代蒸餾法成爲應用最廣泛的方法。世界上有十多個國家的一百多個科研機構在進行著海水淡化的研究，有數百種不同結構和不同容量的海水淡化設施在工作。一座現代化的大型海水淡化廠，每天可以生産幾千、幾萬甚至近百萬噸淡水。

圖1 海水淡化裝置

如今，科學家們做了大量關于海水淡化的研究，以期望進一步降低海水淡化的成本，並提高效率。通過Web of Science（SCI）檢索海水淡化研究的發展情況：如圖2所示，其主要的研究方向是在工程（Engineering）和水資源（Water Resources）領域，截止目前發表的文章數量都已超過9000篇，分別爲9563篇和9168篇。

圖2 主要研究方向

同時，還檢索了海水淡化最近五年的發文情況，如圖3所示，在2020年發表最多，竟達到了1614篇。此外，在2021年的一月份也已發表了92篇，速度同樣驚人，可見2021年也必將再獲豐收！

圖3 最近五年的發文情況

海水淡化的發展涉及國計民生，因此應對其發展進行必要關注。由于發文數量多和篇幅的限制，本文僅選取了近期關于海水淡化發表在優質期刊上的小部分成果，以便大家學習和了解。

1 Adv. Funct. Mater.：99.9%淨水效率！利用MOF隔離石墨烯助力太陽能驅動的海水淡化

光熱材料對于各種加熱應用至關重要，但是由于很難同時提高光吸收率和抑制熱損失，因此光熱材料在實現高能量轉換效率方面仍然具有挑戰性。基于此，新加坡南洋理工大學Xing Yi Ling教授和美國俄亥俄大學Alexander Govorov（共同通訊作者）等人報道了一種沸石咪唑化物骨架（ZIF）隔離的石墨烯（G@ZIF）納米複合物，該納米複合物是利用超薄的隔熱ZIF層和G@ZIF界面納米腔來協同增強吸光度和熱定位。在人工陽光照射（1 kW m-2）下，G@ZIF薄膜在開放環境中的最高溫度爲120℃，其光熱轉換效率爲98％。重要的是，多孔ZIF層允許小分子/介質進入和進入嵌入式熱石墨烯表面，以在實際應用中進行有針對性的傳熱。作爲概念驗證，基于G@ZIF的蒸汽發生器實現了96％的從光能到蒸汽的能量轉換，具有近乎完美的脫鹽和淨水效率（>99.9％）。此外，該設計策略是通用的，可以擴展到其他光熱系統中，以用于高級太陽能熱應用，包括催化、水處理、滅菌和機械驅動。

Xuemei Han et al. Intensifying Heat Using MOF-Isolated Graphene for Solar-Driven Seawater Desalination at 98% Solar-to-Thermal Efficiency. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202008904.

https://doi.org/10.1002/adfm.202008904.

2 Nat. Commun.：借助定向溶劑萃取，離子液體助力高效的低溫脫鹽

海水淡化在應對全球缺水挑戰中發揮著關鍵作用。定向溶劑萃取（DSE）是一種新興的非薄膜脫鹽技術，具有利用極低溫廢熱（低至40℃）的能力。因爲定向溶劑具有微妙平衡的溶解度特性，其不溶于水，但可以溶解水並排斥鹽離子。然而，最新的定向溶劑（癸酸）的低水收率顯著限制了其通量和能源效率。基于此，美國聖母大學Tengfei Luo和Brandon L. Ashfeld（共同通訊作者）等人報道了一種通過使用離子液體（IL）作爲新型定向溶劑，能以更高的生産率對鹽水進行脫鹽，從而顯著降低能量和火用能量的消耗。研究發現，確定適合DSE的離子液體爲[emim][Tf2N]，其産水速率比目前使用的癸酸高出約10倍。通過帶有Gibbs自由能計算的分子動力學模擬，作者發現溶解在[emim][Tf2N]中的水在能量上更有利，但是[emim][Tf2N]離子需要大量能量以溶解在水中。總之，該發現可能會極大地推動DSE技術的發展，以解決全球水-能源關系中的挑戰。爲了使DSE更加接近實際需求，已確定的ILs的批量生産、過程優化、熱系統設計以及廢熱或可再生能源的潛在集成是值得進一步研究。

Jiaji Guo et al. Ionic liquid enables highly efficient low temperature desalination by directional solvent extraction. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-020-20706-y.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20706-y.

3 Chem. Eng. J.：雙功能超潤濕性納米結構薄膜：從油-水乳液的超高效分離到海水淡化

如今，淡水的汙染和短缺問題逐漸加劇了全球的水危機，因此開發一種可行的方法來修複汙染水，並將豐富的海水轉化爲淡水迫在眉睫。基于此，加拿大曼尼托巴大學Malcolm Xing和陸軍軍醫大學西南醫院全軍燒傷研究所羅高興所長（共同通訊作者）等人報道了一種具有雙重功能的納米纖維聚乙烯醇基膜（NPM），並用于油/水分離和太陽能海水淡化。在NPM上修飾上互連的聚吡咯（PPY）納米顆粒，作爲太陽光吸收劑，並且使該薄膜具有超潤濕性。水下超疏油性賦予NPM優異的抗汙染性能，對含油脂或各種非極性有機溶劑的表面活性劑穩定的工業廢水具有良好的處理能力，分離效率超過99%。將氧化石墨烯（GO）混合到NPM中，可以提高薄膜的機械強度。同時，高效的光熱轉化效率使NPM在一次太陽輻射下，能以2.87 kg m-2 h-1的蒸發速率進行海水淡化，並具有優異的效率和耐久性。在現場海水淡化測試中，太陽蒸汽系統在自然日光照射下的每日太陽能淨水産量爲14.3 L m-2，表明該技術在無需額外能源的大批量生産海水淨化系統中具有良好的綠色應用前景。此外，NPM在水包油乳液分離和高速率海水淡化方面的出色性能表明其在未來工業應用中的巨大潛力。

ShiyiChen et al. Dual-functional superwettable nano-structured membrane: From ultra-effective separation of oil-water emulsion to seawater desalination. Chem. Eng. J., 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.128042.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128042.

4 Chem. Eng. J.：海洋生物質衍生的複合氣凝膠實現有效且持久的太陽能驅動界面蒸發和海水淡化

太陽能驅動的界面蒸發技術是一種新興的、可持續的技術，在水蒸餾和海水淡化方面具有巨大的應用潛力。雖然在清潔水生産方面不斷取得進展，但是合成材料的高成本、精細結構、浸出和處理仍然是大規模和實際應用的主要障礙。基于此，中國海洋大學徐曉峰教授和郭萃副教授等人報道了一種可從青島沿海豐富的、取之不盡的、可生物降解的石莼（浒苔）中提取出的納米纖維素（NC）。作者將聚乙烯醇（PVA）加入到NC支架中並進行交聯，可使複合氣凝膠具有高效的水擴散、增強的機械強度和良好的抗變形性能。交聯複合氣凝膠可以作爲主要結構元件，集成一個整體式、自浮式和耐用的蒸汽發生器。在一個太陽光照射下，可實現1.4 kg m-2 h-1的水蒸發速率，因此作者利用具有纖維素材料作爲結構部件構建了一種性能最好的界面蒸汽發生器。該研究提出了以海洋（藍色）生物質爲原料，構建高性能、耐用的界面蒸汽發生器，並協同考慮了生産潔淨水和海洋生態系統可持續性的一種新概念。

Lin Yang et al. Marine biomass-derived composite aerogels for efficient and durable solar-driven interfacial evaporation and desalination. Chem. Eng. J., 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.128051.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128051

5 J. Mater. Chem. A：3D樹狀分層亞麻織物助力高效産生太陽蒸汽

太陽能蒸汽發電作爲一種有前途的技術，在廢水處理和海水淡化方面具有巨大的應用潛力。然而，開發適合大規模應用的低成本、高效率的蒸汽發生器仍然具有挑戰性。基于此，天津工業大學劉雍教授和範傑教授等人受樹木自然蒸騰作用的啓發，報道了一種使用普通的織機制備了三維（3D）分層的樹狀仿生亞麻織物（TBFF），該織物由浮子層、籃子編織層和平紋編織層組成，沿織物的連續經紗顯示出定向的水傳輸性能。接著，通過一步合成大面積聚多巴胺-聚吡咯複合材料（PDA-PPy）納米纖維來改性TBFF獲得的TBFF-PDA-PPy，以實現高親水性和高表面積。在TBFF-PDA-PPy中，紗線的分層微毛細孔和經紗與緯紗之間的宏觀交織的孔結構表現出寬的光吸收、高效的供水、大的蒸發面積和容易的蒸汽逸出。因此，由TBFF-PDA-PPy形成的連續水傳輸路徑可以提供1.37 kg m-2 h-1的水蒸發速率，在一個太陽光照射下，其光熱轉換效率高達87.4％。基于便捷的制造、低成本和可擴展的制造工藝，這種仿生的3D分層TBFF-PDA-PPy設計有望助力于大規模實現水淨化和海水淡化。

Yaping Li et al. 3D tree-shaped hierarchical flax fabric for highly efficient solar steam generation. J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA09570B. https://doi.org/10.1039/D0TA09570B.（作者：CTR 催化開天地）