华人科学家发明“超级”盐水淡化材料，循环净化工艺只需阳光加持

干净的饮用水是生活必需品之一。然而，你也许想象不到，这个地球上仍有 20 多亿人难以喝到安全的饮用水。

据联合国的饮用水调查数据显示，截至 2017 年，全球仍有 22 亿人无法享受安全管理的饮用水服务，其中约 4.35 亿人从无保护的水井和泉水中直接取水，约 1.44 亿人使用湖泊、池塘、溪流和河流中未经处理的地表水，而预计到 2025 年，全球将有半数人口居住在水资源紧张的地区。

此外，现代城市、工业和农业废水的管理不善，导致数百万人的饮用水可能受到危险的化学污染，每年约有超过 82.9 万例腹泻死亡是因饮用不干净的水，在部分落后地区，血吸虫病、登革热、霍乱、痢疾、伤寒、脊髓灰质炎等很多疾病也都主要通过水源传播。

几十年来，科学家们一直在努力解决“饮水”问题，尽管一些解决方案在有效清洁水方面已取得成功，但如果没有稳定的电网或能源设施，很多净水的工厂也很难运转。

现在，来自澳大利亚和中国的科学家团队提出了一种可持续的解决方案，这种方案依靠阳光就能快速启动过滤过程，而不需要加热或通电，秘诀是团队使用了一种超多孔材料能从盐水中快速吸收盐分，研究人员能够可持续地用每千克该材料产生近 40 加仑（合 151.42 升）干净饮用水。更令人欣慰的实验结果是，所净化出来的饮用水指标比 WHO 的官方指南标准还高，这一发现 (http://dx.doi.org/10.1038/s41893-020-0590-x) 日前发表在《自然-可持续发展》（Nature Sustainability）杂志上。

图｜PSP-MiL-53 材料的基本原理（来源：Nature Sustainability）

该研究的主要作者、澳大利亚蒙纳士大学化学工程教授王焕庭表示，当前业内通过蒸发进行的热脱盐工艺需要消耗大量能源，而其他技术（例如反渗透）则具有许多缺点，包括高能耗以及膜清洁和脱氯过程中的化学消耗，相比之下，阳光是地球上最普及和可再生的能源。

除了需要阳光作为辅助条件外，研究的核心技术是科学家们优化出来的一种神奇“吸附”材料：PSP-MIL-53，这种材料是一种由金属离子组成的金属化合物，具有令人惊叹的多孔性，科学家们估计，小小一茶匙这种材料，将里面所有的孔壁都展开成一个平面就是一个足球场的面积大小。

此外，这种材料的特点是具有光合“呼吸作用”。吸收过程是在黑暗中进行的，在天然盐水和合成盐水上对该材料进行测试，结果发现该化合物能够在 30 分钟内吸收足够的阳离子和阴离子，并具有高达 2.88 mmol g-1 的 NaCl（氯化钠盐分）离子吸附负荷，每公斤材料可净化出近 40 加仑的新鲜饮用水。

在分析产生的水时，研究人员测得其总溶解固体（TDS）低于百万分之五百，而世卫组织将清洁饮用水归类为 TDS 不超过百万分之六百。

图｜PSP-MiL-53 的脱盐性能（来源：inverse）

释放盐分就更简单了，在阳光下暴露 4 分钟，就会使该材料释放出其收集的盐分，可以再次开始新吸收过程，进行更多的循环，且实验表明，材料的循环吸附性能稳定良好。

下一步计划是什么？研究人员表示，一方面是帮助能源基础设施落后的地区，提供一个可持续的解决方案来创造清洁的饮用水，另一方面，这种方法将来可能会被重新用于吸收其他化合物和矿物质，为矿物质生产创造一个可持续的解决方案。

这项研究为设计高效、可持续的海水淡化和水净化的光刺激响应材料开辟了新的方向，团队接下来要做的是让这项技术走出实验室，进入实际的产业应用中。

图｜王焕庭（来源：中国科学技术大学）

该研究项目的主要负责人王焕庭教授，目前任澳大利亚蒙纳士大学大学化学工程系教授、工程学院副院长（国际）和蒙纳士膜创新中心主任，其领导的课题组主要从事高性能膜材料、纳米结构材料的设计与制备及其在环境和能源领域的应用研究。

1988 年，王焕庭在华东化工学院（现华东理工大学）获学士学位，1994 年在中国科学技术大学材料科学工程系获高分子化学硕士学位，1997 年又在中国科学技术大学获材料化学博士学位。1998-2002 年曾先后在加州理工大学、加州大学河滨分校做做博士后研究。2019 年 10 月，王焕庭当选澳洲工程院院士，2020 年 7 月 6 日，澳大利亚研究理事会（ARC）公布 2020 年澳大利亚桂冠教授名单，桂冠教授（Australian Laureate Fellowships）是澳大利亚学术和科研界的崇高荣誉之一，王焕庭是本年度 14 个上榜者中唯一的华人科学家。