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淡水一直是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存的基本物質(zhì)之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，人類(lèi)對(duì)淡水資源的需求日益增長(zhǎng)。而數(shù)據(jù)顯示，目前僅存在于河流、湖泊和可供人類(lèi)直接利用的地下淡水已經(jīng)不足0.36。沿海鹽堿地區(qū)、內(nèi)陸苦咸水地區(qū)以及一些島嶼一直缺乏淡水。

盯上了太陽(yáng)能

淡水資源稀缺的壓力之下，對(duì)占地球總水量的97%以上的海水進(jìn)行淡化成為擴(kuò)大淡水來(lái)源的有效途徑之一?？茖W(xué)家們將目光投向海洋資源，開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)。

與常規(guī)蒸餾法、離子交換法、滲析法等傳統(tǒng)淡化方法相比，太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)幾乎不消耗石油、天然氣、煤炭等常規(guī)能源，95%能耗來(lái)自太陽(yáng)能，綠色無(wú)污染。所得淡水純度高，一經(jīng)開(kāi)發(fā)便得到廣泛應(yīng)用。

太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)通常是將光熱材料置于海水表面或上方，通過(guò)毛細(xì)管作用將海水輸送至光熱材料上表面，太陽(yáng)光照射之下，光熱材料表面迅速升溫，使其表面海水迅速蒸發(fā)。這種表面光熱水蒸發(fā)具有極高的能量轉(zhuǎn)化效率，在海水淡化應(yīng)用方面具有較大發(fā)展前景。

但是，當(dāng)光熱材料投放到自然水域中，水域中存在的污染物問(wèn)題也浮現(xiàn)出來(lái)。

污染物的阻撓

在自然水域中，存在著藻類(lèi)等生物污染物與種類(lèi)繁多的有機(jī)污染物。進(jìn)入河口、近海的生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)牧業(yè)排水和地面徑流污水中過(guò)量的有機(jī)物質(zhì)，包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂、氨基酸、脂肪酸酯類(lèi)，以及營(yíng)養(yǎng)鹽（氮、磷等）等造成的污染。污染物富集在光熱膜中，甚至完全覆蓋光熱膜，導(dǎo)致光熱材料性能下降、失效。

理論上，可以通過(guò)高溫降解來(lái)降低有機(jī)物中酶的活性，透過(guò)影響污染物溶解度來(lái)對(duì)污染物進(jìn)行有效降解，實(shí)現(xiàn)膜再生。實(shí)際上，如果只靠污染物自行熱分解，需達(dá)到較高溫度，耗費(fèi)巨量能源。

太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)原理

光熱材料能夠?qū)崿F(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水蒸發(fā)產(chǎn)生淡水的過(guò)程中扮演著重要的角色。太陽(yáng)能光熱膜是太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，由于自然水域存在眾多污染物，容易造成膜污染，致使膜材料不能很好地發(fā)揮作用。

多孔膜問(wèn)世

有沒(méi)有辦法更好地實(shí)現(xiàn)污染物分解，以及膜材料的節(jié)能再生呢？

自然水域的污染物本可以通過(guò)高溫降解來(lái)祛除?？墒?，一些污染物分解過(guò)程需要較高的溫度，采用高溫降解方式造成巨額能源耗費(fèi)。鑒于此，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所成功開(kāi)發(fā)出多功能鈣鈦礦氧化物多孔膜及節(jié)能再生技術(shù)，降低污染物燃燒分解溫度，實(shí)現(xiàn)膜材料節(jié)能再生。

在這種情況下，科學(xué)家們進(jìn)行了大量調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了在高溫催化、氣體分離及光催化等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的鈣鈦礦氧化物。這種氧化物具有獨(dú)特的催化活性，光熱性能也不錯(cuò)。如果把兩種性能同時(shí)利用起來(lái)效果會(huì)怎樣呢？

基于這種大膽的設(shè)想，青島能源所膜分離與催化研究組前期在新型鈣鈦礦氧化物開(kāi)發(fā)及其催化-膜分離性能研究方面做了大量工作，開(kāi)發(fā)出了多功能鈣鈦礦氧化物L(fēng)a0.7Sr0.3CoO3（LSCO）多孔膜。

膜節(jié)能再生

切片具有良好的光熱性能和催化燃燒活性，使它可以在相對(duì)較低的溫度下催化諸如藻類(lèi)等生物及有機(jī)污染物的熱分解，整個(gè)過(guò)程能耗非常低。

在以水藻、三聚氰胺為污染物的測(cè)試中，LSCO多孔膜顯著降低了附著其上的污染物的燃燒分解溫度，減少了多孔膜在燃燒分解過(guò)程中的再生能耗，達(dá)到節(jié)能再生的目的。由于LSCO多孔膜熱穩(wěn)定性高，多次膜再生循環(huán)后性能基本不受影響。

LSCO多孔膜不僅可催化降解生物污染物，實(shí)現(xiàn)多孔膜的節(jié)能再生，還能夠促進(jìn)高效的太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)顯示，切片具有設(shè)計(jì)合理的表面和分層多孔結(jié)構(gòu)，有助于光的收集，從而大大提高蒸發(fā)速度。同等陽(yáng)光照射下約為自然水蒸發(fā)率的420%，實(shí)現(xiàn)高效蒸發(fā)。

由于具有超親水性表面和多孔結(jié)構(gòu)，海水可及性高，切片可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期排鹽，并在脫鹽過(guò)程中保持穩(wěn)定的蒸發(fā)性能。這對(duì)于實(shí)際的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化具有重要意義。

科學(xué)家們巧妙利用鈣鈦礦氧化物的光熱和催化性能，開(kāi)發(fā)出多功能鈣鈦礦氧化物L(fēng)SCO多孔膜，既解決了光熱膜在實(shí)際應(yīng)用中的生物污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了光熱膜的節(jié)能再生，又提高了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化速度。光熱膜性能越好，光熱材料在實(shí)際水環(huán)境中的應(yīng)用便越成熟。

位于美國(guó)加利福尼亞州的淡化海水玻璃圓球

LSCO多孔膜的出現(xiàn)還為新材料的應(yīng)用提出了另一方向。利用一種材料的兩種特性開(kāi)發(fā)新材料是成功的實(shí)踐，下次是否可以專(zhuān)攻同時(shí)具有兩種不同特性的材料呢？如果可以，材料應(yīng)用的多樣性將再次上升一個(gè)層次。