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环球视界 --《Science》发表海水淡化膜材料的最新发现:密度均匀分布是性能的关键

发布日期:2021-02-01 来源: IWA国际水协会
  过滤膜可以去除水中的盐分和其他化学物质,可用于海水淡化生产数亿吨的清洁水服务于工业、农业、能源生产和饮用水行业。聚酰胺膜已经在大规模脱盐中使用了数十年。然而,由于膜厚度很小,内部可变因素较多,人们对膜的工作原理仍知之甚少。如何降低海水淡化成本来生产清洁水这个问题也困扰了人们数十年。
  近日,美国德州大学奥斯汀分校、宾州州立大学、爱荷华州立大学以及杜邦水务解决方案联合发表的一项研究显示,过滤膜看起来很均匀,但不是在纳米尺度上;膜的密度和质量分布不均会影响其性能;如果能够在纳米尺度上控制膜密度的均匀分布,可以大大提高膜的性能,生产更多的清洁水。该项研究发布在今年一月份的《Science》上。
  我们都知道,基于膜蛋白的内部纳米结构,生物膜可以在保持高选择性的同时,实现极高的渗透性。在这里,研究团队将这种设计理念应用于海水淡化膜,在工业规模的生产线中合成了一系列聚酰胺膜。这些膜的化学成分相似,但工艺条件各不相同,显示出了不断提高的透水性和活性层厚度以及恒定的氯化钠选择性。
  研究人员通过透射电子显微镜,绘制了聚酰胺在纳米级别的三维密度图,并结合电子断层成像技术和水渗透率预测模型,成功量化了聚酰胺膜内纳米级别的密度波动对水传输的影响。他们发现这种密度波动对膜性能影响最大,如果能够在膜材料和膜生产工艺上优化膜的合成使其密度分布均匀,那么将会在不影响膜的选择性的条件下极大地提高膜的性能。
  
  聚酰胺膜的3D模型显示水避开了膜密度较大的位置且流动缓慢:膜上方的红色表示加压高盐水;中间金黄色的粒状海绵结构表示滤膜内不同的密度区域;银色通道表明水的流动;底部蓝色表示压力较小侧的低盐水。图片来源:GanapathysubramanianResearch Group / Iowa State University / Gregory Foss, Texas Advanced Computing Center.
  以前人们认为膜越厚,产水量就越少。但是这项发现却证实膜的厚度可能没有那么大的影响。从某种意义上说,在最大限度提高产量的过程中,整个膜的密度要比厚度更一致。根据研究人员的说法,这一认识可以使膜效率提高30%到40%,从而可以用更少的能耗过滤更多的水。
  参考资料
  Levy, N. (2020, December 31). DesalinationBreakthrough Could Lead to Cheaper Water Filtration. Retrieved from UTEXAS:https://news.utexas.edu/2020/12/31/desalination-breakthrough-could-lead-to-cheaper-water-filtration/
  Culp, T., Khara, B., Brickey, K.,Geitner, M., Zimudzi, T., Wilbur, J., . . . Gomez, E. (2021). Nanoscale controlof internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes. Science,371(6524), 72-75.