由水稻秸稈制成的生物質(zhì)光熱蒸餾器具備獨特的無障礙汲水通道，具有良好的應用普適性，并且利用的是廢棄生物質(zhì)原材料，更具環(huán)保意義。

水是生命之源，是人類賴以生存的必要條件之一，但全球水資源情況卻不容樂觀。聯(lián)合國發(fā)布的《2018年世界水資源開發(fā)報告》顯示，由于人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和消費方式轉(zhuǎn)變等因素，全球水資源的需求正在以每年1%的速度增長，而這一速度在未來20年還將大幅加快。《報告》還指出，未來數(shù)十年，水質(zhì)還將進一步惡化，對人類健康、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的威脅將只增不減。

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉富團隊近期研發(fā)了一種全生物質(zhì)界面光熱蒸餾器，該蒸餾器由水稻秸稈制成，依靠太陽能就可以實現(xiàn)純水的提取。相關論文發(fā)表在ACS APPLIED MATERIALS & INTER FACES上。

用太陽能實現(xiàn)無能耗分離與純化

傳統(tǒng)的分離與純化技術是一個高能耗、高成本的過程，在當前能源危機和環(huán)境壓力不斷增加的情況下，急需革新技術以突破能耗障礙。

劉富在采訪中告訴《中國科學報》，在浙江大學讀研階段，他就跟隨導師徐又一教授開始從事聚合物分離膜的相關研究。結束英國帝國理工學院的博士后研究工作后，2010年回國加入中科院寧波材料技術與工程研究所，一直致力于聚合物膜的材料研發(fā)與多功能應用研究。

分離膜研究了十幾年，有一個問題他始終沒有得到答案：如何降低分離與純化過程中的能耗問題?

劉富解釋說：“雖然相對于其他分離技術，膜分離已經(jīng)是相對能耗較低的一項技術，這也是它得以廣泛應用的原因之一。然而在能源日趨緊張、資源嚴重短缺、生態(tài)環(huán)境惡化的今天，進一步降低能耗，減少二氧化碳排放，是分離與純化技術繼續(xù)發(fā)展所必須解決的問題。如何才能在高速發(fā)展的經(jīng)濟社會中走出一條綠色之路?”

一次學術會議上的偶然發(fā)現(xiàn)給他帶來了靈感，那是一項關于光熱轉(zhuǎn)化材料的報告。太陽能作為一種清潔、可再生能源，如何進行高效開發(fā)和利用是全世界科學家關注的話題。

劉富對此感到十分興奮：“如果能將太陽能結合到分離與純化領域，甚至是膜分離應用中，那將是一項低能耗或無能耗的二氧化碳零排放技術，那是不是就能實現(xiàn)低能耗甚至無能耗的分離與純化?”

全生物質(zhì)光熱蒸餾器誕生

沿著這個思路，團隊開始思索能否找到一種光熱轉(zhuǎn)化材料，來實現(xiàn)對水的凈化和提純，解決水資源短缺地區(qū)人們的飲水問題。然而目前大部分研究的光熱材料，包括等離激元材料(如金、銀等納米顆粒)、碳納米材料(如石墨烯、碳納米管等)和半導體材料(如TiO2、Ti3C4、MoO3等)，大多存在制備復雜、成本高的問題，且大多難以規(guī)模化。

最后成為“種子選手”的是最常見的農(nóng)作物——水稻。作為一種蒸騰系數(shù)很高的作物，水稻秸稈內(nèi)部有獨特的毛細內(nèi)腔和多級微納結構的壁面。

“這賦予了水稻秸稈非常優(yōu)異的自下而上、無障礙供水能力，可將污水、泥水、鹽水等泵抽到上方，內(nèi)部通道不會被堵塞，保持穩(wěn)定汲水能力。”論文第一作者方齊樂博士解釋說。

他們將糧食收割后的水稻秸稈再利用。將秸稈一分為二，上部分葉片經(jīng)過簡單碳化得到多孔碳基光吸收材料，并與纖維素材料復合制成一張高穩(wěn)定性、高機械強度的多孔光熱蒸發(fā)膜——該蒸發(fā)膜太陽光吸收達89.4%，太陽照射下表面溫度能迅速達到72攝氏度;下部分秸稈直接用來作為汲水通道和支撐體。光熱蒸發(fā)膜和汲水通道組裝成為一個全生物質(zhì)界面光熱蒸餾器，而它們?nèi)慷际怯伤窘斩捴苽涠鴣怼?/p>

“我們將該光熱蒸餾器放置在透明密閉蒸發(fā)腔室內(nèi)進行室外海水淡化的連續(xù)模擬實驗，在晴天和多云天氣下日產(chǎn)水量分別為6.4～7.9 kg/m2 和4.6～5.6 kg/m2，且鹽離子去除率保持在99.9%以上，水質(zhì)直接達到飲用標準。”劉富介紹說，只需一平方米這種光熱蒸發(fā)膜，制取的淡水完全能夠滿足兩三個成年人一天的飲水需求。

此外，除了適用于海水淡化，該生物質(zhì)光熱蒸餾器還可從灘涂、濕地、沼澤等含水介質(zhì)中穩(wěn)定提取純凈水，適用于野外、島礁以及落后缺水地區(qū)應急取水，并且可以就地取材。

與其他生物質(zhì)光熱材料相比，如木頭切片碳化材料、蘑菇碳化材料，由水稻秸稈制成的生物質(zhì)光熱蒸餾器具備獨特的無障礙汲水通道，具有良好的應用普適性，并且利用的是廢棄生物質(zhì)原材料，更具環(huán)保意義。

光熱轉(zhuǎn)化技術綠色新應用

除了相對簡單的水溶液體系，在很多情況下，需要分離與純化的體系是非常復雜的，常常涉及高鹽度或強酸強堿溶液、極性有機溶劑、油水混合體系等。研究團隊從實際需求出發(fā)，對高穩(wěn)定性、可規(guī)模化制備的光熱轉(zhuǎn)化材料開展研究并進行多介質(zhì)體系的純化應用。

團隊近期研發(fā)的碳纖維、普魯士藍等光熱轉(zhuǎn)化材料具有高光吸收(92%～94%)、耐有機溶劑、結構穩(wěn)定的優(yōu)勢，且可規(guī)模化制備，已成功應用于高鹽海水(10 wt%)、油水乳液以及一系列有機溶劑(介電常數(shù)2.38～37.78)的光熱純化，在保持99.9%去除率的前提下，蒸發(fā)通量從丙酮的29.2 Lm-2h-1到N-甲基吡咯烷酮的0.73 Lm-2h-1不等;對部分有機溶劑的純化效率與傳統(tǒng)壓力驅(qū)動的耐有機溶劑納濾膜相當。據(jù)介紹，其研發(fā)的碳纖維和普魯士藍光熱材料及時在高極性溶劑的長期光熱運行中，也能夠保持穩(wěn)定的機械強度，具有重要的實際應用價值。

劉富表示，團隊目前正在繼續(xù)開展一系列關于光熱轉(zhuǎn)化技術在不同體系里的分離與純化應用研究。“后續(xù)也將在傳統(tǒng)膜分離過程中融合光熱轉(zhuǎn)化技術，利用太陽能作為綠色切入點，探索進一步降低能耗的突破口。”