第一作者：包艳琼
通讯作者：刘浪，张亚运
通讯单位：重庆大学能源与动力工程学院，华东理工大学
论文信息：Environ. Sci. Technol. 2025, 59, 40, 21501–21514
受红树林植物选择性排盐机制的启发，我们提出了一种氧化石墨烯/聚酰胺（GO/PA）离子选择性光热膜，该膜在单一界面蒸发过程中实现了水蒸发、离子分离和纯盐结晶的协同集成。由于GO层与PA层中官能团的水解作用，两层之间的中间区域形成了双电通道（DEC），能够主动驱动离子向膜边缘结晶区域迁移。基于PA层的分离作用、DEC的排盐功能以及GO的光热蒸发效应，该仿生膜可选择性地结晶NaCl/Na2SO4混合溶液（浓度高达200 g L-1），实现了202.2 g·m-2·h-1的结晶速率和97.16%的NaCl摩尔分数。此外，DEC显著缓解了膜内盐分积聚，使水的蒸发速率提升至2.293 kg·m-2·h-1，峰值热效率达到95.53%。GO/PA膜还表现出优异的稳定性和多功能性，可实现多种盐对的选择性结晶。这一利用离子通道实现太阳能蒸发过程中选择性盐结晶与分离的创新概念，为在复杂高盐度和高离子强度环境下发展先进的太阳能界面蒸发技术开辟了新的途径。
随着农业与工业的发展，全球水资源短缺日益严峻。传统水处理技术如反渗透、膜蒸馏和电渗析虽能有效淡化，但能耗高、成本大。相比之下，太阳能界面蒸发脱盐因其可持续性和低能耗受到广泛关注。然而，在光热蒸发过程中，盐结晶易堵塞传水通道、降低光吸收效率，从而影响系统稳定性与寿命。
现有研究多集中于防止盐结晶，如调控表面电荷、设计盐回流通道或构建亲疏水结构，但对盐资源的高效回收关注不足。近年来，分离结晶区与蒸发区以实现淡水与结晶盐同步获取的“双区协同”策略逐渐兴起。特别是对海水与工业废水中典型阴离子对（Cl-/SO42-）的选择性分离，被视为实现零液体排放（ZLD）的关键途径。
受红树林排盐机制启发，其根系选择性吸收离子、叶腺主动分泌并结晶的自然过程，为设计仿生离子选择性结晶膜提供了新的思路。
本研究以全球水资源短缺和高盐废水处理难题为出发点，针对传统脱盐技术能耗高、盐结晶堵塞和盐资源浪费等问题，提出了一种受红树林排盐机制启发的仿生双电通道（DEC）光热蒸发结晶膜。该膜由聚酰胺（PA）层、氧化石墨烯（GO）层和中间尼龙层构成，分别模拟红树林的“根”、“叶”和“盐腺”结构，实现离子选择吸收、光热蒸发和定向结晶。GO与PA层官能团水解形成的双电通道可主动驱动离子迁移至膜边缘结晶，避免通道堵塞并维持高蒸发效率。该设计在高盐环境下实现了同步淡化与高纯盐回收，兼具高效蒸发、抗结垢与离子选择性分离特性，为实现零液体排放（ZLD）和盐资源高效利用提供了新的仿生思路。
图1. 受红树林盐分泌机制启发的双电通道离子选择性蒸发结晶器示意图。
图2. GO/PA膜的表征。(a−c) GO、GO/PEI和GO/PIP膜的截面SEM图像。(d−f) GO、GO/PEI和GO/PIP膜的表面形态SEM图像。(g) GO/PA膜的ATR-FTIR光谱。(h) 不同膜的ζ电位测量结果。(i) 350-2500 nm波长范围内的UV-Vis-NIR吸收光谱。
图3. GO/PA膜的光热蒸发性能。(a) 不同膜在 1 kW·m-2光照下蒸发 1 h 的质量变化（盐浓度为 50 g L-1，Cl-/SO42-摩尔比为 10:1）。(b)不同膜在 35 g L-1混合盐溶液（Cl-/SO42- 摩尔比为 10:1）条件下的蒸发速率与能量效率。(c) 不同膜在不同混合盐浓度（Cl-/SO42-摩尔比为 10:1）下的蒸发速率。(d) 仿生双电通道膜中离子传输的示意图；(d1–d3) 不同膜电荷条件下离子运动的示意图。(e1–e3) 不同膜在蒸发结晶 6 h 后的晶体结构 SEM 图像（GO 层在表面）。(f)随 PIP 浓度变化的 Cl-和 SO42- 离子截留率。(g) 离子分离系数（柱状图，左轴）及结晶盐中 NaCl 摩尔分数（折线，右轴）与 PIP 浓度的关系。
图4. GO/PA 膜的离子分离与结晶性能。(a) 不同膜在不同混合盐浓度（Cl-/SO42- 摩尔比为 10:1）下的结晶速率变化。(b) 不同膜在不同摩尔比（盐浓度为 200 g L-1）条件下蒸发后表面晶体中 NaCl 的摩尔分数。(c) GO/PIP 膜在不同盐浓度和摩尔比下经蒸发结晶后形成晶体中 NaCl 的摩尔分数。(d) 盐浓度与摩尔比对离子分离系数的影响。(e) 多级循环系统的示意图。(f) 蒸发实验后从膜表面收集的盐晶体的 XRD 图谱，黑色曲线表示实验测试结果。
图5. 蒸发分离与结晶机理分析。(a) COMSOL Multiphysics 模拟的蒸发界面温度时空演化。(b) 双电场（双电通道）调控下 GO/PA 膜盐分动态富集行为的模拟。(c) 中性膜（无电荷界面）中的盐浓度梯度分布。(d) 双电通道中离子轨迹。(e) Cl-和 SO42- 离子的归一化密度梯度分布。(f) Cl-和SO42-离子的扩散动力学（通过均方位移MSD 表示）。(g) 单个离子在双电场通道中的微观动态行为追踪（红色轨迹）。
图6. GO/PIP 膜耐久性及实际应用性能评估。(a) 循环蒸发–结晶稳定性：8 个循环的蒸发速率及照片（混合盐Cl-/SO42-摩尔比 5:1，200 g L-1，每周期 2 h）；(b) 每个循环的 NaCl摩尔分数与结晶速率。(c) 在 200 g L-1单组分盐溶液（NaCl/Na2SO4）中连续运行 8 h 时结晶和蒸发质量变化。(d) GO/PA 膜在不同光照强度（0.5–2.0 kW·m-2）下形成晶体的蒸发速率及 NaCl 摩尔分数（盐浓度 50 g L-1，Cl-/ SO42- 摩尔比 10:1）。(e) 不同盐离子及浓度下的截盐率与蒸发速率。(f) 真实海水净化前后阳离子（Na+、Ca2+、Mg2+、K+）浓度对比。(g) 户外太阳能界面蒸发实验装置照片。(h) 2025 年 6 月 10–16日在中国重庆测得的日均户外温度、太阳辐照强度及蒸发速率。(i) GO/PIP 膜在长期蒸发前后的拉伸力学性能。
受红树林选择性排盐机制的启发，本研究成功制备了一种 GO/PA 离子选择性光热膜。该仿生膜将 GO 的光热效应与 PA 层的纳滤能力结合，实现了太阳能驱动界面蒸发过程中水蒸发与盐结晶的同步分离。GO/PA 膜在 GO 层与 PA 层之间形成均匀带电的双电层（DEC），有效引导离子向膜边缘迁移并在光热蒸发过程中结晶。该膜可选择性结晶 NaCl/Na2SO4混合溶液（浓度高达 200 g L-1，NaCl/Na2SO4摩尔比可达 10），峰值结晶速率为 202.2 g·m-2·h-1，蒸发速率为 1.73 kg·m-2·h-1。此外，DEC 显著减缓膜内盐分积聚，在 35 g L-1混合盐溶液下实现2.293 kg·m-2·h-1的蒸发速率，热效率达 95.53%。进一步设计的多级分离系统可将溶液浓度逐步从 35 g L-1提升至 200 g L-1，实现 NaCl 摩尔分数高达 97.16%。该创新性的 GO/PA 膜实现了高浓度盐水的一步蒸发与选择性结晶，为太阳能海水淡化技术实现零液体排放（ZLD）提供了有效途径。
Bao Y, Zheng X, Chen Y, et al. Bioinspired Dual-Electric-Channel Membrane for Efficient Photothermal Evaporation and Ion-Selective Crystallization[J]. Environmental Science & Technology, 2025.
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