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第一作者：吴攀

通讯作者：徐浩兰，Gary Owens

通讯单位：南澳大利亚大学

论文
DOI:10.1016/j.watres.2022.118099

背景介绍

全球人口的增长增加了对清洁水供应的压力，到2035年36亿人将面临淡水资源短缺的问题。淡水资源的缺乏也导致了一系列环境问题，如土壤盐碱化和农作物减产。海水淡水是解决淡水危机保证农业生产的一个可行途径。商业脱盐技术，如反渗透和减压热蒸馏，存在高能耗和高维护成本的问题，故限制了其在偏远和农村地区的广泛应用。太阳能驱动蒸发被认为是最可靠的清洁水生产方法之一。界面光热蒸发不仅解决了传统太阳能蒸馏器淡水生产率低的问题，而且无需昂贵的设备，被认为是一种绿色、高效、廉价的水蒸发技术, 为海水淡化、废水处理等提供了新的解决方案。除了淡水危机，可获得农用土地资源的减少也导致粮食危机，而盐碱地是制约农业生产的一个重要因素。虽然土壤淋洗被广泛用于盐碱地的修复，但淋洗需消耗大量的淡水，而在盐碱地地区淡水资源较为稀缺，这些地区可利用的往往只有盐湖或海水。因此，通过界面光热水蒸发的优势，直接利用海水作为水源来修复盐碱地，并持续对修复后生长的农作物进行灌溉，可为缓解淡水紧缺、土壤盐碱化和荒漠化提供新的策略。

成果介绍

基于此，南澳大利亚大学未来工业研究所徐浩兰教授团队和Gary Owens 高级研究员团队合作开发了一种无监护海水淡化、盐碱土壤修复和持续农业生产的一体化装置，首次应用了界面太阳能高效蒸发技术，利用处理过的海水来清洗修复盐碱地并实现稳定农业灌溉。在室外实验中，该蒸发装置实现了较高的淡水产量（10.95 kg m-2 d-1），其土壤清洗效率是传统蒸馏法的3倍。处理后的植物种植试验表明，最初的不适合作物生长的高盐土壤可以恢复为功能性的农业土壤，并且太阳能蒸发可以持续为植物生长提供灌溉。此系统是完全自动化的，只依靠太阳能和海水就可实现盐碱地的修复和农用土地的灌溉。该系统的开发为缓解与缺水、土壤盐碱化和荒漠化相关的全球问题提供了一个绿色和可持续的解决方案。

该研究工作近期发表在Water Research上，论文的第一作者为南澳大学博士生吴攀，通讯作者为徐浩兰教授、Gary Owens 高级研究员。该工作得到了澳大利亚研究理事会，中国国家留学基金委奖学金，南澳大学基础研究序列基金的大力支持。

图文解析

图1展示了光热蒸发-土壤修复系统的主要工作原理。该系统由三个子系统组成：1） 海水箱；2）光热蒸发器；3）盐碱土。当光热蒸发器吸收太阳光后，产生的热量可驱动海水蒸发，产水的蒸汽在透明罩子表面凝结后流入到盐碱土壤中，从而实现土壤的淋洗和植物的灌溉。这种设计的主要优点是：1）除了太阳光，不需要额外的能源输入；2）利用海水作为水源来清洗盐碱地并实现稳定农业灌溉；3）此外该系统占地面积小，结构简单，无需复杂的维护。

图2主要介绍光热材料表征和水蒸发试验。研究人员以竹炭纤维纸（CP）为基底，还原氧化石墨烯 （rGO）为光吸收材料，设计并制备了一种三维光热蒸发器。该光热材料展现出出色的光吸收材料，能够有效将入射光转换成热能进行光热蒸发。纯水收集实验表明三维蒸发器具有优异光热蒸发功效，其产水率是不加光热材料的3.5倍。

图3展示了蒸发器户外产水性能。户外实验表明，该蒸发器10 h可收集62.1 g淡水，产水量可达10.95 L m-2d-1。收集到的淡水中主要离子（Na+、K+、Ca2+和Mg2+）的浓度符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。

图4 展示了以盐度极高的人工盐土为例，验证这种基于太阳能蒸发的盐碱地修复技术的可行性。结果显示，利用界面光热蒸发器强化蒸发可显著提高土壤修复效率，其修复效率是空白的3倍。通过两周修复，土壤电导率可从6.72 mS cm-1下降0.14 mS cm-1。土壤修复后植物评估显示，未经处理的盐碱地由于盐分浓度过高超出植物的耐受力导致无种子发芽，而经过光热驱动修复的土壤中种子发芽良好。这证实了高污染盐碱地经过太阳能海水蒸发为基础的原位土壤清洗后，可恢复为生产性农业土壤。

图5展示了以南澳大利亚州皮里港收集的真实盐碱土为例，进一步评估该技术的实际应用潜力。结果显示经过18天修复，土壤电导率可从2.26 mS cm-1下降至1.25 mS cm-1，代表性碱性离子Na+、K+、Mg2+和Ca2+去除率分别可达65.3%、54.4%、32.7%和30.0%。使用西兰花进行的植物试验显示，经过修复后，西兰花发芽率可从13.8%提高到 46.3%，西兰花芽的平均长度也从59.4毫米增加到66.2毫米，表明使用界面太阳能驱动的海水蒸发可为盐碱地修复和农业可持续发展提供新的方案。

总 结

本研究提出利用界面光热效应强化海水淡化，助力盐土修复和农业稳定，为扩展光热蒸发技术和农业土壤修复技术应用提供重要启发。由于光热蒸发技术主要依靠太阳能，故无需额外能源输入；而且该技术不需要引入额外的化学药剂，主要依靠海水就可实现土壤盐碱的原位去除，降低了修复过程对土壤结构的破坏；此外该设计是完全自动化系统，它消除了对稀缺人力资源的操作需求。这种高效、稳定、绿色的无监护技术使其在实际海水淡化和农业稳定应用中展现巨大潜力。这种基于界面太阳能蒸发技术的发展也将有助于改善许多生活在偏远和受沙漠影响地区的人们的生活质量，为缺水和沙漠化问题提供潜在的有效解决方案。

文章来源

Pan Wu, Xuan Wu, Yida Wang, Haolan Xu, Gary Owens, Towards sustainable saline agriculture:Interfacial solar evaporation for simultaneous seawater desalination and saline soil remediation, Water Research. 212 (2022) 118099.

https://authors.elsevier.com/c/1eSmg9pi-WMtq