島礁海水淡化新技術(shù)開發(fā)進(jìn)展

王濤，方志剛

（海軍研究院，北京 100161）

0 引言

我國(guó)是多島嶼國(guó)家，海洋局統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)共有1萬多個(gè)海島[1]。這些島嶼既是開發(fā)利用的基地，又是我國(guó)海防的前沿。但它們普遍存在淡水資源供需矛盾的問題。為了保障海島地區(qū)水資源安全，2021年國(guó)家發(fā)展改革委、自然資源部聯(lián)合印發(fā)《海水淡化利用發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2025年）》。計(jì)劃提出“十四五”時(shí)期要在海島保護(hù)性開發(fā)基礎(chǔ)上，適度超前布局建設(shè)海島海水淡化設(shè)施，鼓勵(lì)遠(yuǎn)洋漁船、海洋平臺(tái)加裝易維護(hù)海水淡化裝置[2]。

目前，海水淡化主要圍繞熱蒸餾和反滲透兩大主流技術(shù)展開研究。但這些技術(shù)應(yīng)用在島礁上還存在著能耗高、占地廣、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)難度大等問題。本文從新技術(shù)開發(fā)角度，如太陽(yáng)能熱蒸餾、石墨烯衍生物過濾膜和滲透汽化等研究熱點(diǎn)著手介紹海水淡化的最新研究進(jìn)展情況，期待能夠推進(jìn)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的開發(fā)和提高島民和海防官兵的生活質(zhì)量。

1 太陽(yáng)能熱蒸餾

傳統(tǒng)的蒸餾技術(shù)，如低溫蒸餾和多級(jí)閃蒸在海水淡化過程中需要消耗大量電能，在海島區(qū)域推廣應(yīng)用并不適合。因此利用可再生、環(huán)保的太陽(yáng)能源作為驅(qū)動(dòng)力來獲取淡水成為最理想的方法。起初科學(xué)家選用多孔黑色塊體作為吸水和熱轉(zhuǎn)化材料，但很快發(fā)現(xiàn)對(duì)整體積材料進(jìn)行加熱會(huì)遭受巨大的熱損失，蒸餾效率低下[3]。近年來興起的界面光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)很好地解決了這個(gè)問題，其選擇性地加熱材料表面以引起水蒸發(fā)，有效提高蒸發(fā)效率[4-5]，因此如何獲得理想太陽(yáng)能光熱膜（PTM）成為研究熱點(diǎn)。各種類型材料，例如金屬、半導(dǎo)體、水凝膠和纖維等均被用于PTM開發(fā)。江河清課題組利用不同納米碳材料的復(fù)合策略，進(jìn)行了空心錐形光熱膜的制備，改善了體系的傳質(zhì)和傳熱性能，熱轉(zhuǎn)化效率超過93%[6]。喻學(xué)鋒課題組將天然玄武巖為原料設(shè)計(jì)并制備出一種便宜、 穩(wěn)定且耐腐蝕的玄武巖纖維光熱膜（PTM），圖1展示了在絕熱漂浮模式下的的蒸發(fā)模型，其效率達(dá)可達(dá)1.50kg·m-2·h-1[7]。靳健和李文衛(wèi)課題組合作開發(fā)一種垂直聚苯胺（PANI）納米纖維層狀結(jié)構(gòu)的光熱膜[8]。圖2展示了膜表面上一層垂直排列的聚苯胺納米纖維層。該膜具有極強(qiáng)的光捕捉效應(yīng)，能吸收高達(dá)95%的太陽(yáng)光。

圖1 帶絕緣體漂浮式蒸發(fā)獲取淡水

圖2 垂直排列的聚苯胺納米纖維層

通過這些具有創(chuàng)新的光熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，界面太陽(yáng)能蒸餾性能得到了有效提高，為該項(xiàng)技術(shù)的海水淡化實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路，有望不久的將來在海島上使用。

2 石墨烯衍生物過濾膜

反滲透技術(shù)利用特殊的薄膜材料，使海水通過薄膜而截留鹽，從而獲得淡水。但是由于傳統(tǒng)聚合物膜較低的滲水性，需要高壓驅(qū)動(dòng)，成本一直降不下來。近年來，一種新型過濾膜材料-石墨烯衍生物過濾膜，由于其超薄的厚度和抗高壓能力成為海水淡化膜材料的寵兒?？茖W(xué)家通過在石墨烯上打納米孔得到規(guī)則多孔石墨烯，并用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)方法同時(shí)表明多孔石墨烯在同等條件下其水流通量是商業(yè)RO膜的100倍左右[9-10]。但要精確控制僅讓H2O通過而阻隔住尺寸相近的水合離子需要運(yùn)用精尖技術(shù)，不能量產(chǎn)，成本也無法下降。而且隨著孔數(shù)量增加，膜的力學(xué)性能也隨之降低，無法承受高壓。因此限制了該種過濾膜的推廣應(yīng)用。

氧化石墨烯是由石墨烯片層組成，并通過部分氧化使其表面富含-OH、-COOH等親水官能團(tuán)，這些結(jié)構(gòu)有助于材料的吸水性提高，并能讓H2O在層間低阻力流動(dòng)，使得其具備了多孔石墨烯的性能。更引人注意的是其較之于多孔石墨烯平民化的生產(chǎn)價(jià)格。因此，如何將氧化石墨烯材料應(yīng)用到海水淡化并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用推廣是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。曼徹斯特大學(xué)“石墨烯之父”Andre Geim團(tuán)隊(duì)首先研究了納米厚度的GO膜對(duì)多種液體、氣體的滲透性能，結(jié)果證實(shí)氧化石墨烯膜具有優(yōu)異的水分子滲透性能，有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用[11]。

但用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的GO膜，由于層間距大小為1nm左右，并不能有效隔離某些尺寸相近的鹽離子水合物。有研究者對(duì)GO膜進(jìn)行了改性，主要著眼于可控層間距的研究。他們通過多巴胺、碘化氫及維生素 C 等還原劑還原GO，獲得了還原氧化石墨烯（RGO）膜。由于還原反應(yīng)消弱了GO上的官能團(tuán)，所以 RGO 膜層間距隨之下降。此外，還有研究者在氧化石墨烯層間插入納米線或碳納米管等功能性材料也能有效地改變 GO 納米通道的結(jié)構(gòu)，并且在提高水通量的同時(shí)還具有分離的特性。最近，Andre Geim課題組用純物理的方法，通過濕度調(diào)控層間距，然后用環(huán)氧樹脂封裝固定該尺寸，從而精確控制海水分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)NaCl 97%的截留率[12]。圖3用模型的方式解釋該課題組通過物理限制方法實(shí)現(xiàn)可控層間距的GO層壓板的離子滲透運(yùn)動(dòng)過程。他們可以通過物理調(diào)控層間距很好控制水和水合離子的分離。

圖3 離子/水沿GO膜滲透模型

通過改進(jìn)膜質(zhì)量，反滲透工藝已經(jīng)被廣為認(rèn)可。但其有個(gè)致命缺點(diǎn)就是膜另一邊被留下的鹽度高達(dá)70克/升的濃縮鹽水，造成了環(huán)境的污染。隨著石墨烯衍生物膜優(yōu)點(diǎn)的開發(fā)，其在滲透汽化工藝中的使用漸漸被人所重視。滲透汽化是一種將膜滲透和蒸發(fā)相結(jié)合起來的膜分離技術(shù)，是一種非壓力驅(qū)動(dòng)工藝。該工藝可通過水蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)鹽水分離，但沒有膜蒸餾那樣嚴(yán)重的膜潤(rùn)濕、鹽泄漏和孔隙堵塞問題，也沒有反滲透那樣殘留下高濃度的鹽水廢液需要處理，可以說很好的結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。Wang課題組通過氧化石墨烯納米片和聚合物在多孔陶瓷基底上的共組裝以及還原和碳化后，得到了精確控制的亞納米孔的超薄石墨烯膜。該薄膜水分蒸發(fā)通量最高達(dá)到486L/m2·h，截鹽率為99.99%，表現(xiàn)出超高的水蒸發(fā)和完全排鹽性，因此具有很大的潛在市場(chǎng)價(jià)值[13]。圖4展示了他們?cè)谔沾晒芑咨汐@得的厚度約為80納米的石墨烯薄膜的截面SEM圖。

圖4 陶瓷基底石墨烯膜SEM圖

3 結(jié)語(yǔ)

“十四五”時(shí)期，島礁水資源短缺依然存在，制約著國(guó)家藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推進(jìn)。新材料，新工藝在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用，可以很好解決這些問題。如何將太陽(yáng)能熱蒸餾和氧化石墨烯過濾海水技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合使用，充分利用島礁自身特點(diǎn)，建立多元互補(bǔ)的海島淡水系統(tǒng)，是需要我們繼續(xù)研究的問題。