咸水脱盐技术越来越多地用于解决水资源短缺问题。热法脱盐和膜法脱盐技术被广泛用于淡水制备。然而，脱盐技术的高能耗仍然限制着该技术的推广应用。热法脱盐技术如多级闪蒸和多效蒸馏的单位能量消耗为14-27kWhm3。此外，反渗透咸水淡化过程也存在着能耗相对较高（1.5-6kWhm3）、需要使用化学品进行膜清洁、且进水前需要除氯等问题。另一方面，吸附剂或离子交换树脂可有效去除水中的盐类。基于温敏吸附剂的咸水淡化过程已被用于工业化生产淡水。在此过程中，离子吸附过程的能耗很低，但吸附剂需要在80°C下再生，过程所需的能耗较高，限制了该过程的推广应用。若能使用地球上最丰富的可再生能源──太阳光──实现吸附剂的再生，将大大降低吸附脱盐过程的能耗。

 

　　其中，螺吡喃（spiropyran，SP）在黑暗或者紫外光照射下转化为具有两性离子状态的部花青（merocyanine，MC），并在可见光照下恢复为螺吡喃。值得注意的是，部花青具有带正电荷的吲哚基和带负电荷的酚基，它们可分别作为阴离子和阳离子的吸附位点，从而去除水中的盐。另外，部花青在可见光的刺激下转化为电中性的螺吡喃，实现吸附剂的再生。近期发表在NatureSustainability的研究Asunlight-responsivemetal–organicframeworksystemforsustainablewaterdesalination中，研究人员将聚螺吡喃（polyspiropyran，PSP）分子固定于金属有机框架（MIL-53(Al））中，制备出了具有阳光可再生功能的吸附剂（PSP-MIL-53），并进一步用于构建可持续的盐水淡化体系。

 

　　PSP-MIL-53可以在不同的光照条件下对水中盐类（如NaCl,CaCl2）进行捕获或释放（图1）。在黑暗条件下，具有两性离子的PMC-MIL-53快速吸附水中的阴阳离子，并在30分钟内达到吸附平衡，其离子吸附容量高达2.88mmolg1，与商业化吸附剂的吸附容量相当。在阳光照射下，电中性的PSP-MIL-53可在4分钟内快速释放所吸附的离子，实现吸附剂的再生。更重要的是，该吸附剂在10个循环后仍显示出了优秀的水稳定性和循环使用性能。

 

　　为了证明其实用性，研究人员将PSP-MIL-53装填的吸附柱用于模拟盐水的淡化。当用于浓度为2,233ppm的模拟淡盐水的脱盐时，该吸附剂的吸附容量为1.06mmolg1和1.33meqg1。在每个循环中，每克的PSP-MIL-53可从淡盐水中提取23.4mL的淡水（1和2.66meqg1。

 

　　此外，本工作基于经典的双床脱盐系统对该过程的咸水脱盐性能和能耗进行了初步计算。结果表明，当对2,233ppm的模拟淡盐水进行脱盐、淡水日产量为139.5Lkg1时，其单位能耗仅为0.11kWhm3。

 

　　通过利用太阳光实现吸附剂再生，吸附脱盐过程的能耗可大大降低。本工作为刺激响应性材料的开发应用和低能耗、可持续水处理技术的设计开发提供了新的发展方向。

 

　　作者介绍

 

　　王焕庭教授是莫纳什大学化学工程系教授、工程学院副院长、莫纳什大学膜材料创新中心主任。在中国科学技术大学材料科学与工程专业学习后，在美国加州理工学院和加州大学河滨分校完成化学工程博士后研究。王教授于2004年和2010年分别获得ARCQEIIFellowship和ARCFutureFellowship资助，2019年获得澳大利亚皇家化学会R.K.MurphyMedal，2020年获得大洋洲膜协会TonyFane奖。2011年，他担任ARCFutureFellowship遴选顾问委员会成员，2012-2015年，担任ARC专家学院成员。王教授是英国皇家化学学会、美国化学工程师协会和澳大利亚技术与工程学院的院士。2014-2019年，他担任JournalofExperimentalNanoscience的亚洲编辑，现任Industrial&EngineeringChemistryResearch副主编。

 

　　区然雯博士于2017年获得澳大利亚莫纳什大学博士学位，并在同一课题组开展博士后研究。于2019年10月通过南强青年拔尖人才计划加入厦门大学环境与生态学院，任副教授、博士生导师。主要研究以膜过程和吸附技术为研究重点的区然雯团队，近年来在可持续水处理方向上进行了系列深入研究。