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觀海局

近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表研究成果，展示了一種通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)從海水中同時(shí)獲取淡水與硼元素的技術(shù)。

該文章名為《太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的多領(lǐng)域協(xié)同策略用于綜合淡水生產(chǎn)和硼收集》（Solar-driven multi-field synergistic strategy for intergrated freshwater production and boron harvesting），作者為：Shan li ,Ke zhao,fangxia Yang,Heng Zhang,Zhen Yu,Ninging Cao,Zhimin Fan。

中國(guó)是全球最大的硼消費(fèi)國(guó)，本土產(chǎn)量不能滿足需求，嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。土耳其和美國(guó)是全球硼礦物最主要的生產(chǎn)國(guó)。海水中硼的濃度約為每升4.5毫克，盡管含量微薄，但考慮到海洋的巨大體量，潛在儲(chǔ)量遠(yuǎn)超陸地礦藏。因此，科研人員從海水中提取硼技術(shù)的突破，為中國(guó)利用豐富海洋資源、實(shí)現(xiàn)硼資源供應(yīng)獨(dú)立自主創(chuàng)造了可能。展望未來(lái)，從海水中提取戰(zhàn)略金屬，或成為全球資源競(jìng)爭(zhēng)的新領(lǐng)域。

該項(xiàng)技術(shù)值得關(guān)注的有：

● 該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能同時(shí)從海水中提取淡水和硼元素，使得其經(jīng)濟(jì)性大為提高。

● 在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，該系統(tǒng)每小時(shí)每平方米可產(chǎn)出2.14公斤淡水，提取225.52毫克硼。

● 在戶外測(cè)試中，該系統(tǒng)運(yùn)行三小時(shí)后每平方米仍產(chǎn)出5.2公斤淡水，同時(shí)提取了122毫克硼。

● 研制出一種名為MMS的特殊復(fù)合凝膠，在太陽(yáng)光照射下表現(xiàn)出更高的蒸發(fā)效率。

● 凝膠材料經(jīng)過(guò)七次循環(huán)使用后，硼吸附容量仍保持在86%以上，重復(fù)使用性能優(yōu)異。

同時(shí)，作者也指出，當(dāng)前海水中提取硼元素技術(shù)面臨的最大問(wèn)題是成本。相關(guān)材料的制備工藝復(fù)雜，成本相對(duì)較高，如何降低材料成本并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，是技術(shù)商業(yè)化的首要難題。此外，凝膠材料的耐久性、在復(fù)雜海洋環(huán)境中的穩(wěn)定性，以及硼元素的后續(xù)提純與利用，都需要進(jìn)一步的工程驗(yàn)證。

當(dāng)前，該項(xiàng)技術(shù)還處于早期階段，距離大規(guī)模商業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。但在全球?qū)﹃P(guān)鍵礦產(chǎn)供應(yīng)爭(zhēng)奪愈發(fā)激烈的背景下，該項(xiàng)技術(shù)的戰(zhàn)略價(jià)值已然凸顯。

以下是《南華早報(bào)》的報(bào)道：

中國(guó)西北農(nóng)林科技大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種從海水中提取和收集硼的創(chuàng)新技術(shù)。硼是一種輕質(zhì)元素，用作先進(jìn)高超音速武器超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的固體燃料。釹鐵硼稀土磁體廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域，在當(dāng)前關(guān)鍵礦產(chǎn)貿(mào)易摩擦的背景下，這類(lèi)磁體尤其引人關(guān)注。這些高性能稀土磁體不僅依賴(lài)釹和鐵，在制造過(guò)程中還需要硼，因此，能否獲得這三種元素對(duì)全球供應(yīng)鏈具有重要的戰(zhàn)略意義。

中國(guó)是全球硼需求量最大的國(guó)家，但并非主要生產(chǎn)國(guó)。土耳其和美國(guó)合計(jì)生產(chǎn)了世界上大部分的硼礦。

海水中含有微量硼，傳統(tǒng)的反滲透海水淡化技術(shù)無(wú)法去除，甚至可能使其濃度升高。長(zhǎng)期飲用含硼的純凈水對(duì)人體健康有害。

11月7日發(fā)表于中國(guó)同行評(píng)審期刊《科學(xué)通報(bào)》的一項(xiàng)研究指出，“太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)（SDIE）已成為一種新型的可持續(xù)淡水生產(chǎn)技術(shù)”。該研究團(tuán)隊(duì)由西北農(nóng)林科技大學(xué)陜西省經(jīng)濟(jì)植物資源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的樊志敏領(lǐng)導(dǎo)。

據(jù)范及其同事稱(chēng)，近年來(lái)將選擇性吸附劑集成到SDIE系統(tǒng)中取得了進(jìn)展，從而實(shí)現(xiàn)了淡水和鋰、鈾、銫等有價(jià)值元素的共提取。

受這項(xiàng)研究的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)強(qiáng)大的單一系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能從海水中提取淡水和硼。 該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種名為MMS的新型凝膠，以天然物質(zhì)海藻酸鈉為基底，并混合了兩種高科技化合物MXene和MgO。MXene是一類(lèi)具有類(lèi)石墨烯結(jié)構(gòu)的二維過(guò)渡金屬碳化物納米材料，以其高光熱轉(zhuǎn)換效率而聞名。這種凝膠在太陽(yáng)光照射下表現(xiàn)出更高的蒸發(fā)效率。

同時(shí)，氧化鎂（MgO）可作為吸附劑，有效捕獲并保留海水中的硼。

樊教授的團(tuán)隊(duì)表示，他們將MMS復(fù)合凝膠制成厚度僅為2毫米的薄片。上層漂浮在水面上，可以接觸空氣和陽(yáng)光，而下層則與海水保持接觸，從而實(shí)現(xiàn)吸收。

在陽(yáng)光照射下，凝膠上層表面的水分蒸發(fā)形成濃度梯度，將海水向上吸引到凝膠內(nèi)部。與此同時(shí)，與海水接觸的凝膠下層不斷吸收水分和硼。研究人員表示，凝膠中的氧化鎂（MgO）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硼的定向吸附。

研究人員表示，在陽(yáng)光照射下，MXene-MgO復(fù)合凝膠會(huì)通過(guò)蒸發(fā)產(chǎn)生淡水。同時(shí)，海水中的硼元素會(huì)被特異性地捕獲和積累。

他們表示，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，該系統(tǒng)每小時(shí)每平方米凝膠可蒸發(fā)2.14公斤（4.7磅）淡水，硼的積累量為225.52毫克。

研究人員表示，MMS成功的關(guān)鍵在于其獨(dú)特的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)以及MXene和MgO的協(xié)同作用。MXene納米片提供了寬帶光吸收和高效的光熱轉(zhuǎn)換，而MgO納米顆粒則起到了有效的硼吸附劑的作用。

他們指出，值得注意的是，MMS內(nèi)的溫度、濃度和流動(dòng)場(chǎng)之間的相互作用顯著增強(qiáng)了硼的吸附動(dòng)力學(xué)。

最后，為了評(píng)估其實(shí)際性能，研究人員在香港對(duì)該設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了戶外測(cè)試。運(yùn)行三小時(shí)后，觀察到設(shè)備頂部有冷凝水。

盡管在3月份的測(cè)試期間太陽(yáng)輻射相對(duì)較弱，但該凝膠仍實(shí)現(xiàn)了每平方米5.20公斤的水產(chǎn)量和每平方米122.45毫克的硼提取能力，并且在冷凝液中未檢測(cè)到硼離子。

根據(jù)該論文，這種凝膠可以多次重復(fù)使用。研究人員表示，經(jīng)過(guò)七個(gè)循環(huán)后，其硼吸附容量仍保持在86%以上，凸顯了其優(yōu)異的重復(fù)使用性能；此外，在整個(gè)七個(gè)循環(huán)過(guò)程中，其蒸發(fā)速率也幾乎沒(méi)有下降。 “我們已經(jīng)證明，工程化的MMS在同時(shí)生產(chǎn)淡水和從海水/鹽水中提取硼方面具有巨大的潛力，”樊教授在論文中總結(jié)道，并補(bǔ)充說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)希望討論“MMS的成本和可擴(kuò)展性，特別是對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用”。

來(lái)源：科學(xué)通報(bào)，南華早報(bào)等。

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