你信嗎，水稻的秸稈能「提煉」純水

基於水稻秸稈的全生物質光熱蒸餾器設計原理

記者 張晶晶

由水稻秸稈製成的生物質光熱蒸餾器具備獨特的無障礙汲水通道，具有良好的應用普適性，並且利用的是廢棄生物質原材料，更具環保意義。

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觀。聯合國發布的《2018年世界水資源開發報告》顯示，由於人口增長、經濟發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，而這一速度在未來20年還將大幅加快。《報告》還指出，未來數十年，水質還將進一步惡化，對人類健康、環境和可持續發展的威脅將只增不減。

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉富團隊近期研發了一種全生物質界面光熱蒸餾器，該蒸餾器由水稻秸稈製成，依靠太陽能就可以實現純水的提取。相關論文發表在ACS APPLIED MATERIALS & INTER FACES上。

用太陽能實現無能耗分離與純化

傳統的分離與純化技術是一個高能耗、高成本的過程，在當前能源危機和環境壓力不斷增加的情況下，急需革新技術以突破能耗障礙。

劉富在採訪中告訴《中國科學報》，在浙江大學讀研階段，他就跟隨導師徐又一教授開始從事聚合物分離膜的相關研究。結束英國帝國理工學院的博士後研究工作後，2010年回國加入中科院寧波材料技術與工程研究所，一直致力於聚合物膜的材料研發與多功能應用研究。

太陽

分離膜研究了十幾年，有一個問題他始終沒有得到答案：如何降低分離與純化過程中的能耗問題？

劉富解釋說：「雖然相對於其他分離技術，膜分離已經是相對能耗較低的一項技術，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、生態環境惡化的今天，進一步降低能耗，減少二氧化碳排放，是分離與純化技術繼續發展所必須解決的問題。如何才能在高速發展的經濟社會中走出一條綠色之路？」

一次學術會議上的偶然發現給他帶來了靈感，那是一項關於光熱轉化材料的報告。太陽能作為一種清潔、可再生能源，如何進行高效開發和利用是全世界科學家關注的話題。

劉富對此感到十分興奮：「如果能將太陽能結合到分離與純化領域，甚至是膜分離應用中，那將是一項低能耗或無能耗的二氧化碳零排放技術，那是不是就能實現低能耗甚至無能耗的分離與純化？」

全生物質光熱蒸餾器誕生

沿著這個思路，團隊開始思索能否找到一種光熱轉化材料，來實現對水的凈化和提純，解決水資源短缺地區人們的飲水問題。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），大多存在製備複雜、成本高的問題，且大多難以規模化。

水稻

最後成為「種子選手」的是最常見的農作物——水稻。作為一種蒸騰係數很高的作物，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異的自下而上、無障礙供水能力，可將污水、泥水、鹽水等泵抽到上方，內部通道不會被堵塞，保持穩定汲水能力。」論文第一作者方齊樂博士解釋說。

他們將糧食收割後的水稻秸稈再利用。將秸稈一分為二，上部分葉片經過簡單碳化得到多孔碳基光吸收材料，並與纖維素材料複合製成一張高穩定性、高機械強度的多孔光熱蒸發膜——該蒸發膜太陽光吸收達89.4%，太陽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作為汲水通道和支撐體。光熱蒸發膜和汲水通道組裝成為一個全生物質界面光熱蒸餾器，而它們全部都是由水稻秸稈製備而來。

「我們將該光熱蒸餾器放置在透明密閉蒸發腔室內進行室外海水淡化的連續模擬實驗，在晴天和多雲天氣下日產水量分別為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，水質直接達到飲用標準。」劉富介紹說，只需一平方米這種光熱蒸發膜，製取的淡水完全能夠滿足兩三個成年人一天的飲水需求。

此外，除了適用于海水淡化，該生物質光熱蒸餾器還可從灘涂、濕地、沼澤等含水介質中穩定提取純凈水，適用於野外、島礁以及落後缺水地區應急取水，並且可以就地取材。

與其他生物質光熱材料相比，如木頭切片碳化材料、蘑菇碳化材料，由水稻秸稈製成的生物質光熱蒸餾器具備獨特的無障礙汲水通道，具有良好的應用普適性，並且利用的是廢棄生物質原材料，更具環保意義。

水

光熱轉化技術綠色新應用

除了相對簡單的水溶液體系，在很多情況下，需要分離與純化的體系是非常複雜的，常常涉及高鹽度或強酸強鹼溶液、極性有機溶劑、油水混合體系等。研究團隊從實際需求出發，對高穩定性、可規模化製備的光熱轉化材料開展研究並進行多介質體系的純化應用。

團隊近期研發的碳纖維、普魯士藍等光熱轉化材料具有高光吸收（92%～94%）、耐有機溶劑、結構穩定的優勢，且可規模化製備，已成功應用於高鹽海水（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的耐有機溶劑納濾膜相當。據介紹，其研發的碳纖維和普魯士藍光熱材料及時在高極性溶劑的長期光熱運行中，也能夠保持穩定的機械強度，具有重要的實際應用價值。

劉富表示，團隊目前正在繼續開展一系列關於光熱轉化技術在不同體系里的分離與純化應用研究。「後續也將在傳統膜分離過程中融合光熱轉化技術，利用太陽能作為綠色切入點，探索進一步降低能耗的突破口。」

相關論文信息：DOI: 10.1021/acsami.9b00291

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