科技研究：控製膜的納米結構是淨化水的關鍵

圖片來源：Pixabay/CC0 Public Domain
淡化膜的作用是過濾鹽水:鹽水透過膜，就變成了適合農業、能源生產甚至可飲用的淨水。這個過程看起來很簡單，但其中包含著的複雜問題困擾了科學家數十年，直到現在。
來自賓夕法尼亞州立大學、得克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）、愛荷華州立大學(Iowa State University)、陶氏化學公司和杜邦水處理解決方案業務部（Dow Chemical Company and DuPont Water Solutions）的研究人員在《科學》（Science）雜誌在線版上發表了一項關鍵發現，將有助於了解膜如何過濾水中礦物質。


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領導這項研究的賓夕法尼亞州立大學化學工程和材料科學與工程教授Enrique Gomez說:“盡管我們已使用濾水膜多年，但對濾水膜的工作原理卻仍知之甚少。我們發現在納米尺度上控製膜本身的密度分布會影響膜的產水性能。”
得克薩斯大學奧斯汀分校土木、建築和環境工程係副教授Manish Kumar合作領導該項目。該團隊使用了多模態電子顯微鏡，通過原子尺度的細節成像技術，揭示了其化學成分，以確定淡化膜在密度和質量分布上的不一致。研究人員在三維空間上繪製了聚合物薄膜的密度變化，空間分辨率約為1納米，不到DNA鏈直徑的一半。Gomez表示這一技術進步是理解膜密度作用的關鍵。他說:“現實中你能明顯看出咖啡過濾膜上的密度差異。在過濾膜中，它雖然看起來很均勻，但在納米尺度上並非如此。而且如何控製膜上質量分布對過濾性能的影響非常重要。”
Gomez 和 Kumar表示這個結論令人驚訝，因為以前人們認為膜越厚，產水量就越少。製造許多海水淡化產品的陶氏化學公司（Filmtec）（杜邦水處理解決方案業務部的一部分）與研究人員合作並資助了這個項目，因為其內部科學家發現：實際上更厚的膜被證明更具滲透性。


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研究人員發現，厚度在滲透上起的作用並不如避免高密度納米區域或“死區”那麽重要。Gomez表示：從某種意義上說，在最大限度地提高產水量的過程中，一張密度均勻的膜要比其厚度重要的多。
研究人員表示這一研究可以使膜效率提高30%至40%，從而利用更少的能量過濾更多的水——一種潛在節省目前的海水淡化工藝成本的更新。
Kumar說:“盡管反滲透膜被廣泛用於淨水，但我們對其知之甚少。由於我們沒有完全理解水是如何通過它們的，所以過去40年的所有改進基本上都是在摸黑。”
反滲透膜的工作原理是在進水一側施加壓力。當水通過時，礦物質留在那裏。研究人員說，雖然其比非膜式脫鹽過程效率更高，但這仍然需要大量的能量。如果能提高膜的效率就可以減輕這種負擔。
Gomez說:“淡水管理正成為全世界麵臨的一個重大挑戰。隨著日益惡劣的天氣模式（如水資源短缺，幹旱等），這個問題將變得更加嚴重。擁有清潔的水資源至關重要，尤其是在資源匱乏的地區。”
該團隊繼續研究膜的結構，以及海水淡化過程中涉及的化學反應。他們還在研究如何利用特定的材料開發最好的膜，比如可以防止細菌生長的可持續且耐用的膜。
Gomez說：“我們將繼續發展技術，開發更高性能的材料，以闡明有效過濾中的關鍵因素。”
翻譯：王麟濤
審校：張和持
引進來源：賓夕法尼亞州立大學
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-12-nanoscale-membranes-key.html
本文來自：環球科學


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