由水稻秸稈制成的生物質(zhì)光熱蒸餾器具備獨特的無(wú)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(lèi)賴(lài)以生存的必要條件之一，但全球水資源情況卻不容樂(lè )觀(guān)。聯(lián)合國發(fā)布的《2018年世界水資源開(kāi)發(fā)報告》顯示，由于人口增長(cháng)、經(jīng)濟發(fā)展和消費方式轉變等因素，全球水資源的需求正在以每年1%的速度增長(cháng)，而這一速度在未來(lái)20年還將大幅加快?！秷蟾妗愤€指出，未來(lái)數十年，水質(zhì)還將進(jìn)一步惡化，對人類(lèi)健康、環(huán)境和可持續發(fā)展的威脅將只增不減。
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(yáng)能就可以實(shí)現純水的提取。相關(guān)論文發(fā)表在A(yíng)CS APPLIED MATERIALS & INTER FACES上。
用太陽(yáng)能實(shí)現無(wú)能耗分離與純化
傳統的分離與純化技術(shù)是一個(gè)高能耗、高成本的過(guò)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(shù)以突破能耗障礙。
劉富在采訪(fǎng)中告訴《中國科學(xué)報》，在浙江大學(xué)讀研階段，他就跟隨導師徐又一教授開(kāi)始從事聚合物分離膜的相關(guān)研究。結束英國帝國理工學(xué)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(shù)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(gè)問(wèn)題他始終沒(méi)有得到答案：如何降低分離與純化過(guò)程中的能耗問(wèn)題?
劉富解釋說(shuō)：“雖然相對于其他分離技術(shù)，膜分離已經(jīng)是相對能耗較低的一項技術(shù)，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(jìn)一步降低能耗，減少二氧化碳排放，是分離與純化技術(shù)繼續發(fā)展所必須解決的問(wèn)題。如何才能在高速發(fā)展的經(jīng)濟社會(huì )中走出一條綠色之路?”
一次學(xué)術(shù)會(huì )議上的偶然發(fā)現給他帶來(lái)了靈感，那是一項關(guān)于光熱轉化材料的報告。太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生能源，如何進(jìn)行高效開(kāi)發(fā)和利用是全世界科學(xué)家關(guān)注的話(huà)題。
劉富對此感到十分興奮：“如果能將太陽(yáng)能結合到分離與純化領(lǐng)域，甚至是膜分離應用中，那將是一項低能耗或無(wú)能耗的二氧化碳零排放技術(shù)，那是不是就能實(shí)現低能耗甚至無(wú)能耗的分離與純化?”
全生物質(zhì)光熱蒸餾器誕生
沿著(zhù)這個(gè)思路，團隊開(kāi)始思索能否找到一種光熱轉化材料，來(lái)實(shí)現對水的凈化和提純，解決水資源短缺地區人們的飲水問(wèn)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(wèn)題，且大多難以規?；?。
最后成為“種子選手”的是最常見(jiàn)的農作物——水稻。作為一種蒸騰系數很高的作物，水稻秸稈內部有獨特的毛細內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(wú)障礙供水能力，可將污水、泥水、鹽水等泵抽到上方，內部通道不會(huì )被堵塞，保持穩定汲水能力。”論文第一作者方齊樂(lè )博士解釋說(shuō)。
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(guò)簡(jiǎn)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定性、高機械強度的多孔光熱蒸發(fā)膜——該蒸發(fā)膜太陽(yáng)光吸收達89.4%，太陽(yáng)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(lái)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(gè)全生物質(zhì)界面光熱蒸餾器，而它們全部都是由水稻秸稈制備而來(lái)。
“我們將該光熱蒸餾器放置在透明密閉蒸發(fā)腔室內進(jìn)行室外海水淡化的連續模擬實(shí)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(shuō)，只需一平方米這種光熱蒸發(fā)膜，制取的淡水完全能夠滿(mǎn)足兩三個(gè)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)中穩定提取純凈水，適用于野外、島礁以及落后缺水地區應急取水，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(wú)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。
光熱轉化技術(shù)綠色新應用
除了相對簡(jiǎn)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(shí)際需求出發(fā)，對高穩定性、可規?；苽涞墓鉄徂D化材料開(kāi)展研究并進(jìn)行多介質(zhì)體系的純化應用。
團隊近期研發(fā)的碳纖維、普魯士藍等光熱轉化材料具有高光吸收(92%～94%)、耐有機溶劑、結構穩定的優(yōu)勢，且可規?；苽?，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壓力驅動(dòng)的耐有機溶劑納濾膜相當。據介紹，其研發(fā)的碳纖維和普魯士藍光熱材料及時(shí)在高極性溶劑的長(cháng)期光熱運行中，也能夠保持穩定的機械強度，具有重要的實(shí)際應用價(jià)值。
劉富表示，團隊目前正在繼續開(kāi)展一系列關(guān)于光熱轉化技術(shù)在不同體系里的分離與純化應用研究。“后續也將在傳統膜分離過(guò)程中融合光熱轉化技術(shù)，利用太陽(yáng)能作為綠色切入點(diǎn)，探索進(jìn)一步降低能耗的突破口。”
