研究背景

“山有百藏而不言，水润万物而不语”、“上善若水，水利万物而不争”等彰显了水的高贵品质，更表明其对万物生长至关重要。然而，陆地上的淡水资源储量仅占地球上水体总量的2.53%，其中固体冰川约占淡水总储量的68.69%，主要分布在两极地区而难以利用。海水占据了地球上绝大部分水资源，但不适合人类等饮用，并且海水中含有大量的矿物质，因此将海水转化为淡水，可有效缓解水资源短缺的问题。海水淡化（Seawater Desalination）即利用海水脱盐生产淡水，是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法等方法，其中反渗透膜的反渗透法因其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代蒸馏法成为应用最广泛的方法。世界上有十多个国家的一百多个科研机构在进行着海水淡化的研究，有数百种不同结构和不同容量的海水淡化设施在工作。一座现代化的大型海水淡化厂，每天可以生产几千、几万甚至近百万吨淡水。

图1 海水淡化装置

如今，科学家们做了大量关于海水淡化的研究，以期望进一步降低海水淡化的成本，并提高效率。通过Web of Science（SCI）检索海水淡化研究的发展情况：如图2所示，其主要的研究方向是在工程（Engineering）和水资源（Water Resources）领域，截止目前发表的文章数量都已超过9000篇，分别为9563篇和9168篇。

图2 主要研究方向

同时，还检索了海水淡化最近五年的发文情况，如图3所示，在2020年发表最多，竟达到了1614篇。此外，在2021年的一月份也已发表了92篇，速度同样惊人，可见2021年也必将再获丰收！

图3 最近五年的发文情况

海水淡化的发展涉及国计民生，因此应对其发展进行必要关注。由于发文数量多和篇幅的限制，本文仅选取了近期关于海水淡化发表在优质期刊上的小部分成果，以便大家学习和了解。

1 Adv. Funct. Mater.：99.9%净水效率！利用MOF隔离石墨烯助力太阳能驱动的海水淡化

光热材料对于各种加热应用至关重要，但是由于很难同时提高光吸收率和抑制热损失，因此光热材料在实现高能量转换效率方面仍然具有挑战性。基于此，新加坡南洋理工大学Xing Yi Ling教授和美国俄亥俄大学Alexander Govorov（共同通讯作者）等人报道了一种沸石咪唑化物骨架（ZIF）隔离的石墨烯（G@ZIF）纳米复合物，该纳米复合物是利用超薄的隔热ZIF层和G@ZIF界面纳米腔来协同增强吸光度和热定位。在人工阳光照射（1 kW m-2）下，G@ZIF薄膜在开放环境中的最高温度为120℃，其光热转换效率为98％。重要的是，多孔ZIF层允许小分子/介质进入和进入嵌入式热石墨烯表面，以在实际应用中进行有针对性的传热。作为概念验证，基于G@ZIF的蒸汽发生器实现了96％的从光能到蒸汽的能量转换，具有近乎完美的脱盐和净水效率（>99.9％）。此外，该设计策略是通用的，可以扩展到其他光热系统中，以用于高级太阳能热应用，包括催化、水处理、灭菌和机械驱动。

Xuemei Han et al. Intensifying Heat Using MOF-Isolated Graphene for Solar-Driven Seawater Desalination at 98% Solar-to-Thermal Efficiency. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202008904.

https://doi.org/10.1002/adfm.202008904.

2 Nat. Commun.：借助定向溶剂萃取，离子液体助力高效的低温脱盐

海水淡化在应对全球缺水挑战中发挥着关键作用。定向溶剂萃取（DSE）是一种新兴的非薄膜脱盐技术，具有利用极低温废热（低至40℃）的能力。因为定向溶剂具有微妙平衡的溶解度特性，其不溶于水，但可以溶解水并排斥盐离子。然而，最新的定向溶剂（癸酸）的低水收率显着限制了其通量和能源效率。基于此，美国圣母大学Tengfei Luo和Brandon L. Ashfeld（共同通讯作者）等人报道了一种通过使用离子液体（IL）作为新型定向溶剂，能以更高的生产率对盐水进行脱盐，从而显着降低能量和火用能量的消耗。研究发现，确定适合DSE的离子液体为[emim][Tf2N]，其产水速率比目前使用的癸酸高出约10倍。通过带有Gibbs自由能计算的分子动力学模拟，作者发现溶解在[emim][Tf2N]中的水在能量上更有利，但是[emim][Tf2N]离子需要大量能量以溶解在水中。总之，该发现可能会极大地推动DSE技术的发展，以解决全球水-能源关系中的挑战。为了使DSE更加接近实际需求，已确定的ILs的批量生产、过程优化、热系统设计以及废热或可再生能源的潜在集成是值得进一步研究。

Jiaji Guo et al. Ionic liquid enables highly efficient low temperature desalination by directional solvent extraction. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-020-20706-y.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20706-y.

3 Chem. Eng. J.：双功能超润湿性纳米结构薄膜：从油-水乳液的超高效分离到海水淡化

如今，淡水的污染和短缺问题逐渐加剧了全球的水危机，因此开发一种可行的方法来修复污染水，并将丰富的海水转化为淡水迫在眉睫。基于此，加拿大曼尼托巴大学Malcolm Xing和陆军军医大学西南医院全军烧伤研究所罗高兴所长（共同通讯作者）等人报道了一种具有双重功能的纳米纤维聚乙烯醇基膜（NPM），并用于油/水分离和太阳能海水淡化。在NPM上修饰上互连的聚吡咯（PPY）纳米颗粒，作为太阳光吸收剂，并且使该薄膜具有超润湿性。水下超疏油性赋予NPM优异的抗污染性能，对含油脂或各种非极性有机溶剂的表面活性剂稳定的工业废水具有良好的处理能力，分离效率超过99%。将氧化石墨烯（GO）混合到NPM中，可以提高薄膜的机械强度。同时，高效的光热转化效率使NPM在一次太阳辐射下，能以2.87 kg m-2 h-1的蒸发速率进行海水淡化，并具有优异的效率和耐久性。在现场海水淡化测试中，太阳蒸汽系统在自然日光照射下的每日太阳能净水产量为14.3 L m-2，表明该技术在无需额外能源的大批量生产海水净化系统中具有良好的绿色应用前景。此外，NPM在水包油乳液分离和高速率海水淡化方面的出色性能表明其在未来工业应用中的巨大潜力。

ShiyiChen et al. Dual-functional superwettable nano-structured membrane: From ultra-effective separation of oil-water emulsion to seawater desalination. Chem. Eng. J., 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.128042.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128042.

4 Chem. Eng. J.：海洋生物质衍生的复合气凝胶实现有效且持久的太阳能驱动界面蒸发和海水淡化

太阳能驱动的界面蒸发技术是一种新兴的、可持续的技术，在水蒸馏和海水淡化方面具有巨大的应用潜力。虽然在清洁水生产方面不断取得进展，但是合成材料的高成本、精细结构、浸出和处理仍然是大规模和实际应用的主要障碍。基于此，中国海洋大学徐晓峰教授和郭萃副教授等人报道了一种可从青岛沿海丰富的、取之不尽的、可生物降解的石莼（浒苔）中提取出的纳米纤维素（NC）。作者将聚乙烯醇（PVA）加入到NC支架中并进行交联，可使复合气凝胶具有高效的水扩散、增强的机械强度和良好的抗变形性能。交联复合气凝胶可以作为主要结构元件，集成一个整体式、自浮式和耐用的蒸汽发生器。在一个太阳光照射下，可实现1.4 kg m-2 h-1的水蒸发速率，因此作者利用具有纤维素材料作为结构部件构建了一种性能最好的界面蒸汽发生器。该研究提出了以海洋（蓝色）生物质为原料，构建高性能、耐用的界面蒸汽发生器，并协同考虑了生产洁净水和海洋生态系统可持续性的一种新概念。

Lin Yang et al. Marine biomass-derived composite aerogels for efficient and durable solar-driven interfacial evaporation and desalination. Chem. Eng. J., 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.128051.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128051

5 J. Mater. Chem. A：3D树状分层亚麻织物助力高效产生太阳蒸汽

太阳能蒸汽发电作为一种有前途的技术，在废水处理和海水淡化方面具有巨大的应用潜力。然而，开发适合大规模应用的低成本、高效率的蒸汽发生器仍然具有挑战性。基于此，天津工业大学刘雍教授和范杰教授等人受树木自然蒸腾作用的启发，报道了一种使用普通的织机制备了三维（3D）分层的树状仿生亚麻织物（TBFF），该织物由浮子层、篮子编织层和平纹编织层组成，沿织物的连续经纱显示出定向的水传输性能。接着，通过一步合成大面积聚多巴胺-聚吡咯复合材料（PDA-PPy）纳米纤维来改性TBFF获得的TBFF-PDA-PPy，以实现高亲水性和高表面积。在TBFF-PDA-PPy中，纱线的分层微毛细孔和经纱与纬纱之间的宏观交织的孔结构表现出宽的光吸收、高效的供水、大的蒸发面积和容易的蒸汽逸出。因此，由TBFF-PDA-PPy形成的连续水传输路径可以提供1.37 kg m-2 h-1的水蒸发速率，在一个太阳光照射下，其光热转换效率高达87.4％。基于便捷的制造、低成本和可扩展的制造工艺，这种仿生的3D分层TBFF-PDA-PPy设计有望助力于大规模实现水净化和海水淡化。

Yaping Li et al. 3D tree-shaped hierarchical flax fabric for highly efficient solar steam generation. J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA09570B. https://doi.org/10.1039/D0TA09570B.（作者：CTR 催化开天地）