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纳米级的“吸管”居然也能用来喝水！

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-11-26 14:35

正文

引言

碳，作为组成生命体的基本元素之一，相信这个物质对于大多数人并不陌生。碳在自然界中存在形式多种多样，包括金刚石、石墨、煤炭、石油、天然气等。碳材料是一类由碳元素组成的、具有多样性和高性能的材料。

说起碳材料，大多数人想到的都是木炭，墨水这类在生活中较为常见的材料，或是活性炭，石墨等在工业上广泛应用的材料（图1所示）。如今，碳材料在海水淡化领域的应用日益受到关注，其独特的物理和化学性质为海水淡化技术提供了新的可能性。本文所介绍的是以碳纳米管（CNTs）的复合膜作为膜材料，利用太阳能界面蒸发技术进行的海水淡化。

图1 碳材料图片（https://m.699pic.com）

1 海水淡化技术的研究背景

虽然地球上拥有丰富的水资源，但是淡水资源含量还不到总水量的3%，其中可饮用的也仅有极少部分，所以全球仍然面临着严重的水资源危机，因此发展海水淡技术为解决淡水资源短缺问题带了新的希望。

迄今为止，多级闪蒸、低温多效、反渗透、电渗析，纳滤等海水淡化技术已经可以规模化地实现海水以及来自盐水层或河流的咸水的淡化，但是这些主流的工业化海水淡化和废水处理技术虽可获取清洁淡水，但规模庞大、运行成本高，且需要消耗大量化石能源^[1]。最早的太阳能海水淡化技术则直接让海水在太阳光照射下，在低于或高于沸腾温度的条件下产生蒸汽，蒸汽冷凝后即得到淡水（如图2所示）。这种技术具有高产水量、低成本、维护简单和占地面积小等优点^[2]，通过绿色可持续的太阳能驱动即可高效蒸发海水或污水生产清洁淡水。

图2 太阳能界面蒸发（图片来源于作者）

2 碳纳米管用于海水淡化的原理及优势

2.1.碳纳米管材料

碳纳米管，是碳原子呈六边形排列成一种具有管状结构的单质。它是一种特殊的一维纳米材料，在1993年被日本科学家Iijima 和Ichihashi 在实验中首次发现^[3]。碳纳米管可以认为是用单层或者多层石墨薄片依照一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的封闭管。由于碳纳米管具有特殊的组织结构，因此它具有耐腐蚀性高、导电性好、机械强度高、热导性好等优异性能，在商业和工业领域均有很大应用需求，因而受到国内外研究人员的广泛关注。按照石墨的层数，碳纳米管也分为单壁碳纳米管，双臂碳纳米管和多壁碳纳米管（图3）。^[4]

图3不同类型的碳纳米管（a）单壁碳纳米管（b）双臂碳纳米管（c）多壁碳纳米管^[5]

2.2 碳纳米管淡化海水的原理

用碳纳米管作为膜材料进行的太阳能界面蒸发的原理并不复杂。当太阳光照射到碳纳米管上时，碳纳米管能够吸收太阳光并有效将其转化为热量。随后，这些热量能够迅速传递到与海水接触的界面处，实现对海水的局部加热，当海水被加热到水的沸点时，水分子开始从液态转变为气态，形成水蒸气。由于碳纳米管的孔径远小于无机盐离子的直径，因此海水中的盐分在蒸发过程中被截留在液体中，而通过碳纳米管的水蒸气冷凝后即得到了脱盐后的淡水^[6]。

2.3碳纳米管材料的优点

由于碳纳米管特殊的结构，因此它有着优异的光热转换能力，较好的脱盐效果，较强的耐腐蚀性，抗氧化性以及较高的热导率，使得碳纳米管有望成为新一代海水淡化材料（图4）。

图4碳纳米管的特性（图片来源于作者）

2.3.1较高的热导率

热导率高是碳纳米管重要的物理特性之一。由于碳纳米管中碳原子以sp²杂化构成共价键，而sp²杂化态的碳碳键能够更有效地传递热量，所以碳纳米管在热传导方面表现十分出色。研究表明，单根多壁碳纳米管的热导率高于3000 W/m·K^[7]。碳纳米管优异的热导率也使得其能够有望成为良好的热导材料，在太阳能界面蒸发中能够更快速地传导光热转换后的热量，较大程度提高海水淡化的效果及速率。

2.3.2 优异的光热转换能力

碳纳米管的光热转换能力也是其众多优异性能中的一项重要特性。碳纳米管在宽光谱范围内展现出极高的光吸收率，可达到98-99%^[8]。这种特性使得碳纳米管能够充分吸收太阳光，并将其转化为热能。而碳纳米管独特的管状结构和优异的导热性能有助于这些热能的有效传递和扩散，进而实现光能到热能的高效转换。根据这种特性，可以利用碳纳米管构筑光热界面，为水蒸发提供更多的热量，实现高效的太阳能驱动水蒸发。

2.3.3 较强的耐腐蚀能力

作为太阳能界面蒸发的材料，碳纳米管不仅需要较高的热效率和光热转换能力，在海水淡化过程中，材料容易受到海水中的有机物、微生物、胶体等污染物的侵袭，导致性能下降，这要求相关材料拥有较强的耐腐蚀能力。而碳纳米管的中空结构使其具有较大的比表面积和较强的吸附能力，并且其高度的sp²杂化能够有效地阻挡腐蚀性介质的侵入^[9]。并且其具有优异的化学稳定性，表现出良好的耐酸性和耐碱性。这种特性使得碳纳米管能够在多种腐蚀性环境中保持其结构完整性和功能性，从而有效抵抗腐蚀，也让其能够在海水淡化中有更好的耐用性和更长的寿命。

2.3.4 较好的脱盐效果

碳纳米管在海水淡化的过程中拥有较好的脱盐效果也是其能够应用于海水淡化的重要原因之一。在海水淡化过程中碳纳米管能够选择性地吸附水分子并排斥无机盐离子。碳纳米管的内径尺寸与海水中的离子尺寸相当，使其在脱盐过程中拥有尺寸排阻效应，能够有效地阻止尺寸较大的钠离子和氯离子通过，而允许水分子通过^[10]。并且依据其特殊的管状结构，垂直排列的碳纳米管能够为水蒸气的逸出提供丰富的纳米通道（如图5）。此外，碳纳米管所具有的特殊孔道结构，使其有着极高的表面积，这意味着它有更多的机会与水分子和盐离子接触，加快水分子在通道中的运输速度，提高脱盐率。

图5 碳纳米管膜材料在扫描电子显微镜下的图片（图片来源于作者）

综上所述，碳纳米管凭借其独特的物理和化学性质以及纳米结构的优势，在提高太阳能吸收效率、热传导性能以及装置稳定性和耐久性方面发挥着重要作用。

3 碳纳米管应用于海水淡化的前景展望

相较于传统的海水淡化技术，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，几乎无需额外的能源消耗；而碳纳米管在海水淡化中有着耐用和高效的性能，将碳纳米管与太阳能界面蒸发海水淡化结合可以显著降低能耗和成本。碳纳米管在太阳能界面蒸发海水淡化中的应用符合环保和可持续发展的理念，在海水淡化过程中产生的副产物也可以得到妥善处理或回收利用。随着相关研究的不断进行和创新，碳纳米管在太阳能界面蒸发领域的应用也将更加广泛和深入。

参考文献

[1]钟伟军.玉米芯基太阳能界面蒸发器件的结构设计及海水淡化性能研究[D].东莞：东莞理工学院,2024.

[2]许兵,杨晓彤,刘佳,等.太阳能界面蒸发可持续离网脱盐技术研究[J].工业水处理,2024,44(4):58-65.

[3]康鑫.水通过碳纳米管的可调控传输[D].徐州：中国矿业大学,2023.

[4]许志刚,师小青,王思涛,等.磁性萃取介质及其在样品前处理中的应用研究[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2024,49(2):119-128.

[5]张迎晓,周帆,赖陈,等.碳纳米管材料的制备及其应用研究进展[J].稀有金属材料与工程,2024,53(06):1781-1796.

[6]王一凡.CNTs/PVA复合表面强化太阳能界面蒸发性能研究[D].大连：大连海事大学,2023.

[7]齐晗.基于石墨烯的离子输运器件制造及其输运性能研究[D].南京：东南大学,2021.

[8]郎延亭,何宇,宋怀河,等.炭气凝胶在光热转换领域的研究进展[J/OL].新型炭材料(中英文),1-13[2024-08-29].http://kns.cnki.net/kcms/detail/14.1407.TQ.20240530.1024.001.html.

[9]张金花,张莉艳,王瑞侠,等.电化学前沿在“物理化学”教学中的应用——以质子交换膜燃料电池为例[J].池州学院学报,2024,38(3):131-134.

[10]谢歆雯.多孔碳纳米管基复合膜用于海水淡化研究[D].厦门：厦门大学,2020.

作者：陈浩宇