水资源问题一直是全球关注的热点，因为它与人类生活息息相关。2019年8月6日，世界资源研究所(World Resources Research Institute)的一份报告称，17个国家每年消耗的水资源占其总可用水资源的80%以上，被定义为"极度缺水"，约占世界人口的1/4。在这些国家中，卡塔尔、以色列和黎巴嫩排在前三位。
造成全球水资源压力的原因不外乎几个方面：水资源分布不均、降水分布无序、极端天气影响、水资源浪费、水资源污染。中国人民大学环境学院副院长王洪臣说，目前世界各地解决水资源短缺的相对成功的措施主要包括跨流域调水、淡化和水资源可持续利用。
全世界每年有40亿人面对至少一个月的缺水，其中18亿人生活在绝对缺水的国家。除保护宝贵的淡水供应不受工业废水和盐水污染外，海水淡化在替代性咸水水资源的利用中也起着重要作用。海水淡化(sea water desalination)是人类追求了几百年的梦想，古代就有从海水中去除盐分的故事和 传奇。海水淡化技术的大规模应用始于干旱的中东地区，但并不局限于该地区。由于世界上70%以上的人口都居住在离海洋120公里以内的区域，因而海水淡化技术近20多年迅速在中东以外的许多国家和地区得到应用。
这里稍微说一下海水淡化的历史，早在400多年前，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。但直到16世纪，人们才开始努力从海水中提取淡水。当时欧洲探险家在漫长的航海旅行中，就用船上的火炉煮沸海水以制造淡水。加热海水产生水蒸气，冷却凝结就可得到纯水，这是日常生活的经验，也是海水淡化技术的开始。现代意义上的海水淡化则是在第二次世界大战以后才发展起来的。战后由于国际资本大力开发中东地区石油，使这一地区经济迅速发展，人口快速增加，这个原本干旱的地区对淡水资源的需求与日俱增。而中东地区独特的地理位置和气候条件，加之其丰富的能源资源，又使得海水淡化成为该地区解决淡水资源短缺问题的现实选择，并对海水淡化装置提出了大型化的要求。
由于反渗透技术相对较低的能耗，它是目前使用最广泛的海水淡化技术。然而，为了克服高盐盐水的渗透压力所需要的高压限制了其在关键工业废物流的应用，例如石油和天然气生产的水和浓缩物以及零液体排放过程的脱盐应用。常规的热脱盐方法，例如多效蒸馏（MED）和多级闪蒸（MSF），能够使盐浓度超过RO的盐度脱盐或浓缩，但它们需要大量的基础设施和较高的投资成本。
膜蒸馏（MD）是热-膜混合过程。在MD中，疏水性多孔膜将加热的盐水进料流和冷的渗透物流分开。进料流和渗透流之间的温差在水蒸气的部分蒸气压中产生梯度，从而驱动水蒸气通过膜的输送。在通过膜扩散后，水蒸气在渗透物侧冷凝，产生纯净水。该技术具有常规热海水淡化的高盐度能力，膜系统的紧凑模块化配置，较低的工作压力和相对较低的温度，并且有望比RO更不易结垢。但是，它受到一些固有的限制，导致非常低的热效率。具体地说，膜两面的温度极化减小了蒸气压差，从而减小了通量。随着进料通道长度的增加，平均跨膜温差减小，随着膜组件尺寸的增加，平均通量减小。相对于高的蒸发焓，给水的热容量有限，导致单程水回收率非常低。另外，从外部加热进料会增加系统的复杂性和潜在的热能损失。但科学家们对于海水淡化技术的探索从未止步！
近日，美国莱斯大学Qilin Li 教授课题组报告了在不锈钢丝布（hBN-SSWC）上成功原位生长六方氮化硼（h-BN）纳米涂层，并将其作为可扩展的电加热材料在表面加热膜蒸馏中的应用。新型的hBN-SSWC具有出色的透湿性、导热性、电绝缘性和防腐性能，所有这些对于长期的表面加热膜蒸馏性能至关重要，特别是在高盐溶液中。通过简单地将hBN-SSWC连接到商业膜并以家用频率为交流电源供电，作者证明了hBN-SSWC能够支持超高功率强度（50 kW m2）对高盐溶液进行脱盐，具有高水通量、单程水回收和热利用效率，同时保持出色的材料稳定性。作者还展示了hBN-SSWC在可扩展且紧凑的螺旋缠绕电热膜蒸馏模块中的出色性能。相关研究工作以“Multifunctional nanocoated membranes for high-rate electrothermal desalination of hypersaline waters”为题发表在国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》上。
图1. 在电热SHMD中，SSWC上的六方氮化硼作为多功能涂层
图2. 在SSWC上生长高质量的hBN纳米涂层
最近的研究成功地证明了使用带有电热涂层的MD膜进行脱盐，该电热涂层由多壁碳纳米管和聚乙烯醇（MWCNT/PVA）组成。但是，MWCNT/PVA涂层在盐水中易受电化学腐蚀，因此需要高频（10 kHz）交流电源以保护其免于降解。此外，其相对较低的电导率及其较低的电化学稳定性限制了表面能输入，并因此限制了跨膜水通量。要成为实用的海水淡化技术的一部分，电热涂层必须具备以下条件：（1）高耐腐蚀性，（2）高电导率，（3）高导热率，（4）与绝缘层的出色电绝缘性周围盐水和（5）高孔隙率。有限差分模型说明了随着表面热量输入，平均水通量（图1b，左）显著增加，比能耗（SEC）（图1b，右）显著下降，强调了可以支持高能量运行的加热材料的重要性。
图3 hBN-SSWC支持SHMD中的高能量输入以实现高性能
图4 SHMD中SSWC的hBN涂层使能的长期运行
高质量的hBN纳米涂层（图2a-f）及其保护性屏障功能（图2g，h）表明，hBN-SSWC可用于高效电热SHMD。通过将原始的或hBN涂层的SSWC连接到定制SHMD电池进料室的PVDF膜的顶部，我们可以在各种输入功率密度下以单程运行模式淡化高盐度水，在始终保持> 99.9％的脱盐率的同时，当输入功率密度从1 kW m -2增加到50 kW m -2时，膜通量从0.32±0.03非线性增加到42.7±0.8 kg m-2 h-1。在hBN-SSWC SHMD系统中，可以通过增加膜组件的长度或减少进料流速（即增加组件中的水力停留时间）来进一步提高膜通量和单程水回收率。这与常规MD的情况相反，常规MD需要更高的进料流速以最小化温度极化并提供用于蒸发的热能。
图5 放大的hBN-SSWC的制造及其在新型螺旋缠绕电热SHMD中的应用
综上所述，高质量的hBN纳米涂层在SSWC上成功生长，使其能够在SHMD中用作高效稳定的焦耳加热器。hBN涂层是高盐度水和SSWC之间质量和电荷交换的极佳屏障，同时允许有效的热传递。与SHMD中的商用PVDF膜结合使用时，hBN-SSWC可以使用家用频率（50 Hz）的电源对高盐度水进行高性能脱盐，同时产生非常高的模块级水通量，单程水回收，反应堆热利用效率和接近饱和的盐水。hBN-SSWC在长期运行过程中也表现出出色的稳定性，没有可观察到的（电化学）化学降解或hBN-SSWC刮擦。在这项研究中，材料和系统设计的协同结合证明了纳米材料的独特性能如何可以用来解决极具挑战性的工程问题并克服传统技术的局限性。海水淡化技术的这一重大突破，将是解决水资源问题的有效手段！
https://www.nature.com/articles/s41565-020-00777-0
文章来源：材料＋
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