王涛，方志刚

（海军研究院，北京 100161）

0 引言

我国是多岛屿国家，海洋局统计显示，我国共有1万多个海岛[1]。这些岛屿既是开发利用的基地，又是我国海防的前沿。但它们普遍存在淡水资源供需矛盾的问题。为了保障海岛地区水资源安全，2021年国家发展改革委、自然资源部联合印发《海水淡化利用发展行动计划（2021-2025年）》。计划提出“十四五”时期要在海岛保护性开发基础上，适度超前布局建设海岛海水淡化设施，鼓励远洋渔船、海洋平台加装易维护海水淡化装置[2]。

目前，海水淡化主要围绕热蒸馏和反渗透两大主流技术展开研究。但这些技术应用在岛礁上还存在着能耗高、占地广、设备维护保养难度大等问题。本文从新技术开发角度，如太阳能热蒸馏、石墨烯衍生物过滤膜和渗透汽化等研究热点着手介绍海水淡化的最新研究进展情况，期待能够推进蓝色经济的开发和提高岛民和海防官兵的生活质量。

1 太阳能热蒸馏

传统的蒸馏技术，如低温蒸馏和多级闪蒸在海水淡化过程中需要消耗大量电能，在海岛区域推广应用并不适合。因此利用可再生、环保的太阳能源作为驱动力来获取淡水成为最理想的方法。起初科学家选用多孔黑色块体作为吸水和热转化材料，但很快发现对整体积材料进行加热会遭受巨大的热损失，蒸馏效率低下[3]。近年来兴起的界面光热转换技术很好地解决了这个问题，其选择性地加热材料表面以引起水蒸发，有效提高蒸发效率[4-5]，因此如何获得理想太阳能光热膜（PTM）成为研究热点。各种类型材料，例如金属、半导体、水凝胶和纤维等均被用于PTM开发。江河清课题组利用不同纳米碳材料的复合策略，进行了空心锥形光热膜的制备，改善了体系的传质和传热性能，热转化效率超过93%[6]。喻学锋课题组将天然玄武岩为原料设计并制备出一种便宜、 稳定且耐腐蚀的玄武岩纤维光热膜（PTM），图1展示了在绝热漂浮模式下的的蒸发模型，其效率达可达1.50kg·m-2·h-1[7]。靳健和李文卫课题组合作开发一种垂直聚苯胺（PANI）纳米纤维层状结构的光热膜[8]。图2展示了膜表面上一层垂直排列的聚苯胺纳米纤维层。该膜具有极强的光捕捉效应，能吸收高达95%的太阳光。

图1 带绝缘体漂浮式蒸发获取淡水

图2 垂直排列的聚苯胺纳米纤维层

通过这些具有创新的光热系统设计，界面太阳能蒸馏性能得到了有效提高，为该项技术的海水淡化实际应用铺平了道路，有望不久的将来在海岛上使用。

2 石墨烯衍生物过滤膜

反渗透技术利用特殊的薄膜材料，使海水通过薄膜而截留盐，从而获得淡水。但是由于传统聚合物膜较低的渗水性，需要高压驱动，成本一直降不下来。近年来，一种新型过滤膜材料-石墨烯衍生物过滤膜，由于其超薄的厚度和抗高压能力成为海水淡化膜材料的宠儿。科学家通过在石墨烯上打纳米孔得到规则多孔石墨烯，并用分子动力学模拟和实验方法同时表明多孔石墨烯在同等条件下其水流通量是商业RO膜的100倍左右[9-10]。但要精确控制仅让H2O通过而阻隔住尺寸相近的水合离子需要运用精尖技术，不能量产，成本也无法下降。而且随着孔数量增加，膜的力学性能也随之降低，无法承受高压。因此限制了该种过滤膜的推广应用。

氧化石墨烯是由石墨烯片层组成，并通过部分氧化使其表面富含-OH、-COOH等亲水官能团，这些结构有助于材料的吸水性提高，并能让H2O在层间低阻力流动，使得其具备了多孔石墨烯的性能。更引人注意的是其较之于多孔石墨烯平民化的生产价格。因此，如何将氧化石墨烯材料应用到海水淡化并实现应用推广是当下的研究热点。曼彻斯特大学“石墨烯之父”Andre Geim团队首先研究了纳米厚度的GO膜对多种液体、气体的渗透性能，结果证实氧化石墨烯膜具有优异的水分子渗透性能，有望实现商业化应用[11]。

但用传统方法生产的GO膜，由于层间距大小为1nm左右，并不能有效隔离某些尺寸相近的盐离子水合物。有研究者对GO膜进行了改性，主要着眼于可控层间距的研究。他们通过多巴胺、碘化氢及维生素 C 等还原剂还原GO，获得了还原氧化石墨烯（RGO）膜。由于还原反应消弱了GO上的官能团，所以 RGO 膜层间距随之下降。此外，还有研究者在氧化石墨烯层间插入纳米线或碳纳米管等功能性材料也能有效地改变 GO 纳米通道的结构，并且在提高水通量的同时还具有分离的特性。最近，Andre Geim课题组用纯物理的方法，通过湿度调控层间距，然后用环氧树脂封装固定该尺寸，从而精确控制海水分离，实现对NaCl 97%的截留率[12]。图3用模型的方式解释该课题组通过物理限制方法实现可控层间距的GO层压板的离子渗透运动过程。他们可以通过物理调控层间距很好控制水和水合离子的分离。

图3 离子/水沿GO膜渗透模型

通过改进膜质量，反渗透工艺已经被广为认可。但其有个致命缺点就是膜另一边被留下的盐度高达70克/升的浓缩盐水，造成了环境的污染。随着石墨烯衍生物膜优点的开发，其在渗透汽化工艺中的使用渐渐被人所重视。渗透汽化是一种将膜渗透和蒸发相结合起来的膜分离技术，是一种非压力驱动工艺。该工艺可通过水蒸发实现盐水分离，但没有膜蒸馏那样严重的膜润湿、盐泄漏和孔隙堵塞问题，也没有反渗透那样残留下高浓度的盐水废液需要处理，可以说很好的结合了两者的优点。Wang课题组通过氧化石墨烯纳米片和聚合物在多孔陶瓷基底上的共组装以及还原和碳化后，得到了精确控制的亚纳米孔的超薄石墨烯膜。该薄膜水分蒸发通量最高达到486L/m2·h，截盐率为99.99%，表现出超高的水蒸发和完全排盐性，因此具有很大的潜在市场价值[13]。图4展示了他们在陶瓷管基底上获得的厚度约为80纳米的石墨烯薄膜的截面SEM图。

图4 陶瓷基底石墨烯膜SEM图

3 结语

“十四五”时期，岛礁水资源短缺依然存在，制约着国家蓝色经济发展的推进。新材料，新工艺在海水淡化领域的应用，可以很好解决这些问题。如何将太阳能热蒸馏和氧化石墨烯过滤海水技术进行联合使用，充分利用岛礁自身特点，建立多元互补的海岛淡水系统，是需要我们继续研究的问题。