纳米级的“吸管”居然也能用来喝水！

介绍

碳是构成活生物体的基本元素之一，我认为这种物质并不是大多数人的陌生人。碳在自然界中具有多种形式，包括钻石，石墨，煤炭，石油，天然气等。碳材料是一种由碳元素组成的多样性和高性能材料。

说到碳材料，大多数人都认为木炭，墨水和其他在生活中更常见的材料，或在行业中广泛使用的材料，例如活性炭和石墨（如图1所示）。如今，碳材料在海水脱盐领域的应用正在增加，其独特的物理和化学特性为海水淡化技术提供了新的可能性。本文使用碳纳米管（CNT）的复合膜作为使用太阳界面蒸发技术引入了海水海水。

图1碳材料图片（）

1海水淡化技术的研究背景

尽管地球富含水资源，但淡水资源的含量不到总水量的3％，只有很小的部分才能消耗。因此，世界仍面临严重的水资源危机。因此，海水淡化技术的发展正在解决淡水资源的短缺带来新的希望。

到目前为止，海水脱盐技术，例如多阶段闪光蒸发，低温多效应，反渗透，电渗透，电透析和纳米过滤已经能够在大规模上从盐水或河流中脱盐，但是这些都可以在这些层次主流工业化的海水脱盐虽然启用盐水处理技术可以获得干净的淡水，但规模较大，运营成本高，需要大量的化石能量。最早的太阳能海水脱盐技术直接使海水在低于或高于沸腾温度的条件下在阳光下产生蒸汽，并在蒸汽冷凝后获得淡水（如图2所示）。这项技术具有高水产，低成本，简单维护和较小占地面积的优势。它可以有效地蒸发海水或污水，通过绿色和可持续的太阳能产生清洁的淡水。

图2太阳接口蒸发（图片来自作者）

2种海水脱盐的碳纳米管的原理和优势

2.1。碳纳米管材料

碳纳米管是元素物质，碳原子的六边形排列成管状结构。这是一种特殊的一维纳米材料，1993年由日本科学家IIJIMA和ICHIHASHI在实验中最初发现。碳纳米管可以被视为由单层或多层螺旋石石墨在某些螺旋式螺旋式上形成的无缝，空心的封闭管。由于碳纳米管具有特殊的结构，因此它们具有出色的特性，例如高腐蚀性，良好的电导率，高机械强度和良好的导热性。它们在商业和工业领域都有巨大的应用要求，因此受到国内外研究人员的关注。根据石墨层的数量，碳纳米管也分为单壁碳纳米管，双臂碳纳米管和多壁碳纳米管（图3）。

图3不同类型的碳纳米管（a）单壁碳纳米管（b）双臂碳纳米管（C）多壁碳纳米管

2.2海水的碳纳米管淡化原理

使用碳纳米管作为膜材料蒸发太阳界面的原理并不复杂。当阳光在碳纳米管上发光时，碳纳米管可以吸收阳光并有效地将其转化为热量。随后，可以将这些热量迅速转移到与海水接触的界面，以实现海水的局部加热。当海水被加热到水的沸点时，水分子开始从液体转变为气态开元棋官方正版下载，形成水蒸气。由于碳纳米管的孔径比无机盐离子的直径小得多，因此在蒸发过程中，海水中的盐被困在液体中，并在经过碳纳米管的水蒸气凝结后获得淡化的淡水。

2.3碳纳米管材料的优势

由于碳纳米管的特殊结构，它具有出色的光热转化能力，良好的脱盐作用，耐腐蚀性，抗氧化能力和高导热性，使碳纳米管预计将成为新一代海水脱水材料（图4）。

图4碳纳米管的特征（图片来自作者）

2.3.1较高的导热率

高热电导率是碳纳米管的重要物理特性之一。由于碳纳米管中的碳原子与SP²杂交形成共价键，而SP²杂交状态的碳碳键可以更有效地传递热量开yunapp体育官网入口下载手机版，因此碳纳米管在热传导方面的表现很好。研究表明，单个多壁碳纳米管的热导率高于3000 W/m·K。碳纳米管的极佳导热率也使其承诺成为一种良好的导热率材料，在太阳接口蒸发期间，在轻热转换后可以进行热量，并大大提高海水脱盐的效果和速度。

2.3.2出色的光热转化能力

碳纳米管的光热转化能力也是其许多出色特性的重要特征。碳纳米管在广泛的光谱范围内表现出极高的光吸收率，达到98-99％。这种特征使碳纳米管可以充分吸收阳光并将其转化为热能。碳纳米管的独特管状结构和出色的导热率有助于这些热能的有效转移和扩散，从而实现了从光能到热能的有效转化。根据此特征，碳纳米管可用于构建光热界面，为水蒸发提供更多热量，并实现有效的太阳能驱动水蒸发。

2.3.3强腐蚀性

作为太阳界面蒸发的材料，碳纳米管不仅需要高热效率和光热转化功能。在海水淡化过程中，材料很容易受到污染物，例如有机物，微生物，胶体等的污染物，导致性能降解。相关材料必须具有强耐腐蚀性。碳纳米管的空心结构使其具有较大的特异性表面积和强吸附能力，并且其高SP²杂交可以有效防止侵蚀性培养基的侵袭。它具有出色的化学稳定性，并且具有良好的抗酸性和碱性。这种特征使碳纳米管能够在各种腐蚀性环境中保持其结构完整性和功能，从而有效抵抗腐蚀，并使它们具有更好的耐用性和更长的寿命。

2.3.4良好的淡化效果

碳纳米管在海水脱盐过程中具有良好的脱盐作用，也是将它们应用于海水脱盐的重要原因之一。在海水脱盐期间，碳纳米管可以选择性吸附水分子并排除无机盐离子。碳纳米管的内径与海水中的离子相当，使其在脱盐过程中具有尺寸排除效应，这可以有效防止较大的钠离子和氯离子通过，并使水分子通过。根据其特殊的管状结构，垂直排列的碳纳米管可以为水蒸气逸出丰富的纳米通道（如图5所示）。此外，碳纳米管的特殊孔结构使其具有极高的表面积，这意味着它有更多机会接触水分子和盐离子，加快通道中水分子的运输速度，并提高淡化速率。 。

图5扫描电子显微镜下碳纳米管膜材料的图片（图片来自作者）

总而言之，碳纳米管在提高太阳能吸收效率，导热率以及设备稳定性以及由于其独特的物理和化学性质和纳米结构而起着重要作用。

3碳纳米管在海水淡化中的3个前景

与传统的海水脱盐技术相比，太阳能作为一种干净可再生的能源几乎不需要额外的能源消耗。尽管碳纳米管在海水脱盐中具有持久，有效的性能，并用太阳能界面蒸发碳纳米管。海水脱盐的结合可以显着降低能耗和成本。碳纳米管在太阳界面的海水蒸发和脱盐中的应用与环境保护和可持续发展的概念一致，并且在海水脱盐期间产生的副产品也可以得到适当处理或再生。随着相关研究的持续进展和创新，碳纳米管在太阳界面蒸发领域的应用也将变得更加广泛和深入。

参考

[1]中元。基于玉米库的太阳接口蒸发设备的结构设计和海水脱盐性能[D]。东圭：东圭理工研究所，2024年。

[2] Xu Bing，Yang Xiaotong，Liu Jia等。太阳接口蒸发的可持续离网脱水技术研究[J]。工业水处理，2024，44（4）：58-65。

[3] Kang Xin。通过碳纳米管的调节水传播[D]。 Xuzhou：中国采矿与技术大学，2023年。

[4] Xu Zhigang，Shi Xiaoqing，Wang Sitao等。磁提取介质及其在样品预处理中的应用[J]。昆明科学技术大学杂志（自然科学版），2024开元ky888棋牌官网版，49（2）：119-128。

[5]张Yingxiao，Zhou Fan，Lai Chen等。研究碳纳米管材料制备和应用的研究进展[J]。稀有金属材料和工程，2024，53（06）：1781-1796。

[6] Wang Yifan。研究CNT/PVA复合表面增强太阳接口的蒸发性能[D]。达利安：达利安海洋大学，2023年。

[7]齐汉。基于石墨烯及其运输性能的离子传输设备制造的研究[D]。南京：东南大学，2021年。