天津大学刘宪华教授研究团队“用于海水淡化的石墨烯基膜：综述” | MDPI Polymers

文章导读

石墨烯基膜具有独特的纳米通道，在海水淡化应用方面颇具优势。天津大学刘宪华教授研究团队在 Polymers 上发表的文章首先使用文献计量的方法分析了石墨烯基膜用于海水淡化的整体发展趋势；其次总结了反渗透、正渗透和太阳能海水淡化领域的研究现状；最后在此基础上提出了该领域存在的差距和未来研究的方向。本研究结果有助于研究人员对该领域获得新的见解。

研究方法与过程

Web of Science 数据库中与石墨烯材料和膜的海水淡化相关文章共有 1739 篇，根据文献评估数据，石墨烯基膜已成为海水淡化的重要研究领域之一。本文重点总结了石墨烯基海水淡化膜在反渗透、正渗透和太阳能海水淡化领域最新进展。

石墨烯基膜用于反渗透 (Reverse Osmosis, RO) 的主要挑战之一是需要同时提高透水性和脱盐能力，其脱盐率取决于膜特性和操作条件。正向渗透 (Forward Osmosis, FO) 是一种相对较新的工业脱盐方法，其中盐浓度梯度 (渗透压) 是通过合成膜的驱动力。Peifu Cheng 等人选择性地密封石墨烯中的撕裂和大纳米孔，使用可扩展的厘米级纳米多孔石墨烯膜，在 FO 中表现出出色的盐离子排斥率 (97%) 和小分子排斥率 (~100%)。未来石墨烯膜的设计应考虑实际给水的脱盐效率和稳定性。

传统的太阳能驱动蒸发系统存在吸光效率差、散热速度快等瓶颈。构成太阳能界面蒸发系统的三个主要组成部分是光热材料、热能管理和供水。其中，光热材料对最终的转换效率起着举足轻重的作用。Li 等人设计了一种便携式海水淡化装置 (图 1)，可折叠氧化石墨烯薄膜器件可以实现最小的热损失，而能量传输效率与水量无关，并且可以在没有容器绝缘的情况下保持。

图 1. 二维供水太阳能海水淡化装置示意图。

Wu 等人最近报道了通过等离子增强化学气相沉积直接在石墨烯气凝胶 (Graphene Aerogels, GA) 表面内生长的垂直取向石墨烯纳米片 (Vertically Oriented Graphene Nanosheets, VG) 的组成。VG/GA 的原理图如图 2a—f 所示。实现了超快太阳能热响应 (1 秒内升温 169.7 °C)。

图 2. (a) VG/GA 示意图；(b, c) VG/GA 的高分辨率 TEM 图像；(d, e) VG/GA 的 SEM 图像；(f) VG/GA 的红外图像。

Ostrikov 等人通过一步等离子处理圣莲 (Nelumbo nucifera)，将 VG 沉积在莲花微纹理表面 (lotus/VG)(图 3a、b)。莲花固有的多孔结构与互补的纳米片涂层相结合，有助于更好地捕获光，从而实现高达 99.2% 的宽带光吸收。Xia 等人报道了一种类似于荷叶形状的太阳能蒸汽发生器，它由水平蒸发盘和垂直吸管组成 (图 3c)。它的设计使盐仅在蒸发盘的边缘结晶，通过削弱盐晶体和蒸发盘之间的结合，盐在重力作用下自动脱落。太阳能蒸汽发生器实现了不间断的长期运行 (不间断超过 600 小时) 以持续产生蒸汽和收获盐。另一项研究与其设计结构相似，制作了一种 3D T 形多孔海绵负载 2D 光热薄膜，以同时实现自作用脱盐和水蒸发 (图 3d)。

图 3. (a) 自然荷花的光学图像；(b) 基于莲花的能量和水转换和使用系统示意图；(c) 太阳能蒸汽发生器海水淡化工艺设计草图；(d) 基于 3D T 形多孔海绵的太阳能驱动界面蒸发系统。

研究证明 3D 材料亦具有良好的特性。垂直排列的石墨烯柱阵列具有更大的蒸发面积和额外的自由空间，可实现快速水蒸发。Xu 等人制备了一种嵌有铜纳米点的 N 掺杂石墨烯海胆光热材料，该材料是通过纳米级等离子体共振、光生电子的非辐射弛豫以及分子或晶格的热振动实现，同时结合了石墨烯的优势，最大限度地吸收整个太阳光谱中的太阳能 (>99%)，其海水淡化效率高达 82%。中孔三维石墨烯网络 (Three-Dimensional Graphene Network, 3DGN) 与木材的结合被证明可以大大提高太阳能到蒸汽的转换效率 (图 4)。沉积在木材上的 3DGN 在一个阳光照射下提供了大约 91.8% 的优异的太阳能到蒸汽的转换效率。

图 4. (a) 裸木和木头上的 GO、3DGN-Ni 和 3DGN 的 DC 图像；(b) 拉曼光谱；(c) 木材、GO、3DGN-Ni 和 3DGN 的紫外-可见-近红外光谱；(d) 3DGN 的 C 1s XPS 谱图。

研究总结

本研究利用文献计量学对近年来石墨烯基海水淡化膜相关研究论文进行分析，发现“染料”、“聚多巴胺”、“光热材料”、“薄膜纳米复合膜”和“高效”是近年来出现的热门词汇。之后总结了石墨烯基脱盐膜在反渗透、正渗透和太阳能脱盐领域的最新发展。为进一步加快发展，研究人员应重点关注以下几个方面：

(1) 新型多功能纳米复合膜的设计一直是研究热点，其中膜的稳定性和防污性能值得进一步研究。

(2) 石墨烯基膜的应用一直局限于实验室规模，大规模工业应用的成功商业化还很少见。必须考虑低成本制备膜的方法及设计具有成本效益的海水淡化装置才能将膜脱盐带入实际应用。

(3) 海水淡化是一个能源密集型过程，利用可再生能源的混合系统被认为是一个有前途的解决方案。热驱动/太阳能驱动的海水淡化被认为是海水淡化系统的良好策略。该领域未来应从光热材料的设计、膜脱盐过程中的传质、对流和辐射机制及全天候脱盐等方面进行探索。这些努力将使石墨烯基膜成为水资源短缺的潜在解决方案。

原文出自 Polymers 期刊

Dai, Y.; Liu, M.; Li, J.; Kang, N.; Ahmed, A.; Zong, Y.; Tu, J.; Chen, Y.; Zhang, P.; Liu, X. Graphene-Based Membranes for Water Desalination: A Literature Review and Content Analysis. Polymers 2022, 14, 4246.