島礁海水淡化新技術開發進展

王濤，方志剛

（海軍研究院，北京 100161）

0 引言

我國是多島嶼國家，海洋局統計顯示，我國共有1萬多個海島[1]。這些島嶼既是開發利用的基地，又是我國海防的前沿。但它們普遍存在淡水資源供需矛盾的問題。為了保障海島地區水資源安全，2021年國家發展改革委、自然資源部聯合印發《海水淡化利用發展行動計劃（2021-2025年）》。計劃提出“十四五”時期要在海島保護性開發基礎上，適度超前布局建設海島海水淡化設施，鼓勵遠洋漁船、海洋平臺加裝易維護海水淡化裝置[2]。

目前，海水淡化主要圍繞熱蒸餾和反滲透兩大主流技術展開研究。但這些技術應用在島礁上還存在著能耗高、占地廣、設備維護保養難度大等問題。本文從新技術開發角度，如太陽能熱蒸餾、石墨烯衍生物過濾膜和滲透汽化等研究熱點著手介紹海水淡化的最新研究進展情況，期待能夠推進藍色經濟的開發和提高島民和海防官兵的生活質量。

1 太陽能熱蒸餾

傳統的蒸餾技術，如低溫蒸餾和多級閃蒸在海水淡化過程中需要消耗大量電能，在海島區域推廣應用并不適合。因此利用可再生、環保的太陽能源作為驅動力來獲取淡水成為最理想的方法。起初科學家選用多孔黑色塊體作為吸水和熱轉化材料，但很快發現對整體積材料進行加熱會遭受巨大的熱損失，蒸餾效率低下[3]。近年來興起的界面光熱轉換技術很好地解決了這個問題，其選擇性地加熱材料表面以引起水蒸發，有效提高蒸發效率[4-5]，因此如何獲得理想太陽能光熱膜（PTM）成為研究熱點。各種類型材料，例如金屬、半導體、水凝膠和纖維等均被用于PTM開發。江河清課題組利用不同納米碳材料的復合策略，進行了空心錐形光熱膜的制備，改善了體系的傳質和傳熱性能，熱轉化效率超過93%[6]。喻學鋒課題組將天然玄武巖為原料設計并制備出一種便宜、 穩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模型，其效率達可達1.50kg·m-2·h-1[7]。靳健和李文衛課題組合作開發一種垂直聚苯胺（PANI）納米纖維層狀結構的光熱膜[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。該膜具有極強的光捕捉效應，能吸收高達95%的太陽光。

圖1 帶絕緣體漂浮式蒸發獲取淡水

圖2 垂直排列的聚苯胺納米纖維層

通過這些具有創新的光熱系統設計，界面太陽能蒸餾性能得到了有效提高，為該項技術的海水淡化實際應用鋪平了道路，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。但是由于傳統聚合物膜較低的滲水性，需要高壓驅動，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。科學家通過在石墨烯上打納米孔得到規則多孔石墨烯，并用分子動力學模擬和實驗方法同時表明多孔石墨烯在同等條件下其水流通量是商業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用精尖技術，不能量產，成本也無法下降。而且隨著孔數量增加，膜的力學性能也隨之降低，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，這些結構有助于材料的吸水性提高，并能讓H2O在層間低阻力流動，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價格。因此，如何將氧化石墨烯材料應用到海水淡化并實現應用推廣是當下的研究熱點。曼徹斯特大學“石墨烯之父”Andre Geim團隊首先研究了納米厚度的GO膜對多種液體、氣體的滲透性能，結果證實氧化石墨烯膜具有優異的水分子滲透性能，有望實現商業化應用[11]。

但用傳統方法生產的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GO膜進行了改性，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。由于還原反應消弱了GO上的官能團，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 納米通道的結構，并且在提高水通量的同時還具有分離的特性。最近，Andre Geim課題組用純物理的方法，通過濕度調控層間距，然后用環氧樹脂封裝固定該尺寸，從而精確控制海水分離，實現對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現可控層間距的GO層壓板的離子滲透運動過程。他們可以通過物理調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

通過改進膜質量，反滲透工藝已經被廣為認可。但其有個致命缺點就是膜另一邊被留下的鹽度高達70克/升的濃縮鹽水，造成了環境的污染。隨著石墨烯衍生物膜優點的開發，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相結合起來的膜分離技術，是一種非壓力驅動工藝。該工藝可通過水蒸發實現鹽水分離，但沒有膜蒸餾那樣嚴重的膜潤濕、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，可以說很好的結合了兩者的優點。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。該薄膜水分蒸發通量最高達到486L/m2·h，截鹽率為99.99%，表現出超高的水蒸發和完全排鹽性，因此具有很大的潛在市場價值[13]。圖4展示了他們在陶瓷管基底上獲得的厚度約為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 結語

“十四五”時期，島礁水資源短缺依然存在，制約著國家藍色經濟發展的推進。新材料，新工藝在海水淡化領域的應用，可以很好解決這些問題。如何將太陽能熱蒸餾和氧化石墨烯過濾海水技術進行聯合使用，充分利用島礁自身特點，建立多元互補的海島淡水系統，是需要我們繼續研究的問題。