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在脱盐系统中，二维纳米六方氮化硼（hBN）涂层可保护加热元件免受高浓度盐水的腐蚀。
经hBN涂层处理的钢材（右）与空白组钢材（左）的对比。
用于高浓度盐水脱盐的连续蒸馏系统。系统采用的“卷式”设计有利于节省空间和滤水。
全球超过18亿人生活在淡水稀缺的地区。在许多干旱地区，虽然海水或含盐地下水储量丰富，但脱盐成本却过于高昂。此外，许多行业也需要为高浓度含盐废水支付昂贵的处理费用。反渗透是最常见的脱盐技术之一。然而，当水的含盐量增加时，反渗透技术所需的压力也越来越大；当盐水级别达到超咸水（浓度约为海水的10倍，许多工业过程都会产生）时，反渗透技术将不再适用。
phys.org网站当地时间11月3日报道，美国莱斯大学的工程师们开发了一种低成本的高效工业脱盐技术。其中，纳米六方氮化硼（hBN）涂层起了关键作用。相关研究结果发表于《自然•纳米技术》杂志。
传统脱盐技术对资金成本和基础设施的要求很高。为解决这一问题，论文作者、莱斯大学纳米技术水处理中心（NEWT）研究人员Qilin Li以太阳能为能源，开发了一项基于膜蒸馏的脱盐工艺：盐水流过多孔膜的一侧时，被膜表面的光热涂层加热；而当低温淡水在膜的另一侧流动时，温度差产生的压力梯度使水蒸气从高温一侧经膜体流向低温一侧，留下盐分和其他不易挥发的污染物。
膜两侧的温差越大，脱盐效率越高。附着在膜体上的光活化纳米颗粒可以捕集必要的太阳能，进而产生高能源效率。
然而，单靠零散收集的太阳能无法实现超咸水的高速脱盐，研究人员必须向薄膜表面增加供热。可是，增加热量在实现淡水产量指数级增长的同时，也使得盐水腐蚀性大幅上升，这诱发了新的矛盾——传统金属加热元件很快会被腐蚀破坏，而大多数非金属替代品要么性能不佳，要么电导率不足。
Li说：“我们希望找到一种材料，既能导电、支持大电流密度，又不会被超咸水腐蚀。”
在莱斯大学材料科学与纳米工程系（MSNE）研究人员Jun Lou等的帮助下，研发团队开发了一种hBN涂层并将其涂覆于不锈钢网加热元件上——hBN的耐化学性和导热性正是高温设备的宝贵“资产”。
研究人员发现，这种涂层虽然只有千万分之一米的厚度，却足以保护金属丝免受超咸水腐蚀。通常情况下，原子级二维hBN只能附着于平坦表面，而研究中，研究人员首次让hBN涂层涂覆在了不规则的多孔表面上。
在测试实验中，研究人员以家用50赫兹的电压为加热元件供电，功率密度达到每平方米50千瓦。在最大功率下，系统每小时每平方米膜体的产水量超过42千克，是环境太阳能膜蒸馏技术产量的10倍以上。
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《自然•纳米技术》
期刊编号：1748-3387
原文链接：
https://phys.org/news/2020-11-boron-nitride-coating-key-ingredient.html
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