基于水稻秸稈的全生物質(zhì)光熱蒸餾器設(shè)計(jì)原理

　　由水稻秸稈制成的生物質(zhì)光熱蒸餾器具備獨(dú)特的無(wú)障礙汲水通道，具有良好的應(yīng)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(lè)觀。聯(lián)合國(guó)發(fā)布的《2018年世界水資源開(kāi)發(fā)報(bào)告》顯示，由于人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和消費(fèi)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(zhǎng)，而這一速度在未來(lái)20年還將大幅加快?！秷?bào)告》還指出，未來(lái)數(shù)十年，水質(zhì)還將進(jìn)一步惡化，對(duì)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(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員劉富團(tuán)隊(duì)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(xiàn)純水的提取。相關(guān)論文發(fā)表在ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES上。

　　用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)無(wú)能耗分離與純化

　　傳統(tǒng)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(dāng)前能源危機(jī)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。

　　劉富在采訪中告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在浙江大學(xué)讀研階段，他就跟隨導(dǎo)師徐又一教授開(kāi)始從事聚合物分離膜的相關(guān)研究。結(jié)束英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的博士后研究工作后，2010年回國(guó)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(yīng)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(duì)于其他分離技術(shù)，膜分離已經(jīng)是相對(duì)能耗較低的一項(xiàng)技術(shù)，這也是它得以廣泛應(yīng)用的原因之一。然而在能源日趨緊張、資源嚴(yán)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(xù)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(jì)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(xiàn)給他帶來(lái)了靈感，那是一項(xiàng)關(guān)于光熱轉(zhuǎn)化材料的報(bào)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)注的話題。

　　劉富對(duì)此感到十分興奮：“如果能將太陽(yáng)能結(jié)合到分離與純化領(lǐng)域，甚至是膜分離應(yīng)用中，那將是一項(xiàng)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(xiàn)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

　　沿著這個(gè)思路，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始思索能否找到一種光熱轉(zhuǎn)化材料，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水的凈化和提純，解決水資源短缺地區(qū)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(dǎo)體材料（如TiO2、Ti3C4、MoO3等），大多存在制備復(fù)雜、成本高的問(wèn)題，且大多難以規(guī)?；?。

　　最后成為“種子選手”的是最常見(jiàn)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(dú)特的毛細(xì)內(nèi)腔和多級(jí)微納結(jié)構(gòu)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(nèi)部通道不會(huì)被堵塞，保持穩(wěn)定汲水能力?！闭撐牡谝蛔髡叻烬R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(fù)合制成一張高穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度的多孔光熱蒸發(fā)膜——該蒸發(fā)膜太陽(yáng)光吸收達(dá)89.4%，太陽(yáng)照射下表面溫度能迅速達(dá)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?nèi)慷际怯伤窘斩捴苽涠鴣?lái)。

　　“我們將該光熱蒸餾器放置在透明密閉蒸發(fā)腔室內(nèi)進(jìn)行室外海水淡化的連續(xù)模擬實(shí)驗(yàn)，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(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)?！眲⒏唤榻B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(wěn)定提取純凈水，適用于野外、島礁以及落后缺水地區(qū)應(yīng)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(dú)特的無(wú)障礙汲水通道，具有良好的應(yīng)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(shù)綠色新應(yīng)用

　　除了相對(duì)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(fù)雜的，常常涉及高鹽度或強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液、極性有機(jī)溶劑、油水混合體系等。研究團(tuán)隊(duì)從實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)高穩(wěn)定性、可規(guī)模化制備的光熱轉(zhuǎn)化材料開(kāi)展研究并進(jìn)行多介質(zhì)體系的純化應(yīng)用。

　　團(tuán)隊(duì)近期研發(fā)的碳纖維、普魯士藍(lán)等光熱轉(zhuǎn)化材料具有高光吸收（92%～94%）、耐有機(jī)溶劑、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，且可規(guī)?；苽?，已成功應(yīng)用于高鹽海水（10 wt%）、油水乳液以及一系列有機(jī)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(duì)部分有機(jī)溶劑的純化效率與傳統(tǒng)壓力驅(qū)動(dòng)的耐有機(jī)溶劑納濾膜相當(dāng)。據(jù)介紹，其研發(fā)的碳纖維和普魯士藍(lán)光熱材料及時(shí)在高極性溶劑的長(zhǎng)期光熱運(yùn)行中，也能夠保持穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　劉富表示，團(tuán)隊(duì)目前正在繼續(xù)開(kāi)展一系列關(guān)于光熱轉(zhuǎn)化技術(shù)在不同體系里的分離與純化應(yīng)用研究?！昂罄m(xù)也將在傳統(tǒng)膜分離過(guò)程中融合光熱轉(zhuǎn)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?！?/p>

　?。ㄔd于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2019-04-08 第7版 能源化工）