干凈的飲用水是人類賴以生存的重要資源。然而，全球超過20億人喝不到干凈水，因此面臨著感染致死性疾病的風(fēng)險。據(jù)WHO顯示，隨著氣候危機加劇，到2025年全球一半的人口將生活在水資源緊張的地區(qū)。

現(xiàn)在有了一種最新的凈水技術(shù)：將一個乒乓球一樣的材料放進一桶水中晃一晃，就能吸進水中的鹽分及其他雜質(zhì)，凈化出安全可飲用的水。再放一些干凈的水，把它放在太陽底下曬幾分鐘、晃一晃，就能再次用于凈水。

這就是《自然·可持續(xù)發(fā)展》(Nature Sustainability)雜志8月10日發(fā)表的最新研究。該研究由澳大利亞蒙納士大學(xué)教授王煥庭帶領(lǐng)團隊研發(fā)而成，而研究的第一作者為廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院副教授、博導(dǎo)區(qū)然雯。這是一種光敏MOF材料PSP-MIL-53，通過吸附的方法，可在30分鐘內(nèi)將海水淡化為安全、干凈的飲用水，將有望在水資源短缺地區(qū)解決安全飲用水問題，極大造福人類。

近日，紅星新聞記者聯(lián)系上了王煥庭教授，他介紹了這種材料用于凈水的諸多優(yōu)勢，并具備在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛能。

凈化的水

MOF是一種多孔材料，其單位表面積超過所有已知材料。僅一茶匙體積的MOF材料表面積，就相當于一個足球場那么大。而MIL-53則是一種特殊的MOF，再加入聚螺吡喃丙烯酸酯(PSP)后，就成為這種名為PSP-MIL-53的光敏MOF材料。

▲該研究的第一作者、廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院副教授、博導(dǎo)區(qū)然雯，王煥庭教授供圖

每千克光敏MOF材料可持續(xù)凈化出40加侖(約151升)飲用水，其水質(zhì)甚至比WHO建議的優(yōu)質(zhì)飲用水標準還要干凈，實現(xiàn)低于百萬分之500(500ppm)的溶解性總固體(TDS)。據(jù)WHO建議，優(yōu)質(zhì)飲用水的溶解性總固體應(yīng)該低于百萬分之600(600ppm)。

上述光敏MOF材料的又一大優(yōu)勢是，可循環(huán)再利用。王煥庭告訴紅星新聞記者，在中午太陽光最強時，4分鐘的光照就可實現(xiàn)洗出吸附的鹽分，使之可以循環(huán)再利用。而且，洗出鹽分并非必須依賴太陽光。王煥庭團隊使用實驗室燈光也可將其洗凈，只是耗時稍長，約30分鐘至1小時。

這種材料是如何設(shè)計出來的?“先有應(yīng)用，然后才有意識地設(shè)計了這種材料。”王煥庭告訴記者，他一直在研究膜材料和納米材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，對水的相關(guān)研究也做了很多年。

早在兩年前(2018年)，王煥庭和其團隊曾設(shè)計了一種溫度敏感的多孔材料來吸附鹽分，再用熱水將鹽分洗出來，以便重復(fù)使用材料。而這一次的突破性研究則是將光響應(yīng)的高分子材料裝進多孔材料，實現(xiàn)用光來洗出鹽分。因此，王煥庭表示，這次的研究成果是“組里這么多年積累的結(jié)果，是一種水到渠成。”

材料高效、節(jié)能且可持續(xù)

過去幾十年來，科學(xué)家們一直致力于解決人類的安全飲用水問題，也成功研發(fā)了一些有效的凈水方式，但這些方式卻因能耗問題而難以在一些缺乏穩(wěn)定供電的地區(qū)推廣。

海水和鹽水的淡化及凈化是獲得干凈淡水的方式之一。據(jù)王煥庭介紹，目前海水淡化或低濃度鹽水淡化的大規(guī)模應(yīng)用主要是通過兩種方法，即反滲透膜及熱法脫鹽。其中，使用反滲透膜的方法存在能耗大、不環(huán)保和成本高的問題。這種把海水變成淡水的方法非常耗電，而且只能獲得40%的淡水。從效率上來講，當鹽的濃度越來越高的時候，脫鹽的能耗就越大。因此，剩下的60%濃鹽水又被重新放回大海。如果濃鹽水的分散放回做得不好，周圍的海水濃度就會提高，影響周圍海洋生物的生長。

▲在黑暗及光照條件下，材料的吸附及洗出,圖據(jù)inverse

此外，這種凈水方式需要大規(guī)模的設(shè)備，建廠成本很高。墨爾本一個此類的海水淡化工廠投資高達334億澳元，而這種涉及大規(guī)模設(shè)備的凈水方式還需要后期投入高昂的維護費用。

工業(yè)上另一個大規(guī)模應(yīng)用的熱法脫鹽法，也能耗巨大。

與這些方法相較而言，使用光敏MOF材料凈水“不需要設(shè)備，不耗能，維護成本低。” 王煥庭指出，如果這個材料能真正地產(chǎn)業(yè)化，就可以解決部分人口的用水問題。

具備其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛能

據(jù)了解，這項研究成果一經(jīng)發(fā)布就引發(fā)了多方關(guān)注。王煥庭告訴紅星新聞記者，沙特及其他幾個國家已經(jīng)聯(lián)系了團隊，一些邊遠地區(qū)有飲用水問題的人也紛紛前來咨詢。王煥庭團隊近日還收到美國一個小島的居民來信，咨詢這種材料什么時候能進入市場，讓顧客得以購買。

不過，從實驗室的一個原理性實驗到工業(yè)上應(yīng)用的產(chǎn)品，這中間還需要一個過程。王煥庭表示，目前已申請了專利，下一步要做的是——材料在不同環(huán)境中應(yīng)用的穩(wěn)定性、耐久性測試。

新材料在實際應(yīng)用中還有很多具體問題，比如，用于凈化的是什么樣的水，水里除了鹽分，是否有別的雜質(zhì)。而這些雜質(zhì)對這種材料的性能是否有影響。王煥庭估計，“問題應(yīng)該不是很大”，但還是需要以科學(xué)研究得出結(jié)論。

此外，這種光敏MOF材料吸附“鹽分”只是一種廣義的說法，它實際具備對離子的吸附能力。水里如汞、銅等一些對人體不好的元素也是以離子的形式存在，從原理上來說也能被它吸收，只是還沒有測試出究竟能吸多少。

值得關(guān)注的是，一種材料進行大規(guī)模應(yīng)用還需考量如何做才能更便宜，其成本市場能否接受。因此，總體來講，光敏MOF材料距離應(yīng)用還有一定的距離。

除了凈水，這種材料在采礦和其他領(lǐng)域也具備應(yīng)用潛能。王煥庭向紅星新聞記者透露，對材料做一些改進，實現(xiàn)對某一種離子的選擇性吸附，就可以將其應(yīng)用在其他領(lǐng)域。如在礦業(yè)中，可以使用MOF材料以吸附的方法提取出鋰。礦業(yè)中現(xiàn)有的一些吸附劑在吸附完之后需要用化學(xué)品洗出鋰，而這個過程會導(dǎo)致二次污染。如果光敏或熱敏MOF材料進行吸附，其洗出過程不使用化學(xué)品，具備很大的環(huán)保價值，成本也更低。