对脱盐膜的纳米控制可能会导致更便宜的水过滤

聚合物脱盐膜的三维模型

这是一个聚合物脱盐膜的3D模型,它显示了水流——银色通道,从上到下移动——避免了膜中的密集点,减缓了水流。图片来源:爱荷华州立大学Ganapathysubramanian研究小组和格雷戈里·福斯/德克萨斯高级计算中心

德克萨斯大学奥斯汀分校和宾夕法尼亚州立大学的研究人员解决了一个困扰科学家几十年的复杂问题,以较低的成本生产干净的水可能即将成为现实。

脱盐膜除去水中的盐和其他化学物质,这是一个对社会健康至关重要的过程,清洗数十亿加仑的水用于农业、能源生产和饮用水。这个想法看起来很简单——把盐水推过去,干净的水就会从另一边出来——但其中包含了一些科学家仍在试图理解的复杂复杂的问题。

研究小组与杜邦水解决方案公司(DuPont Water Solutions)合作,解决了这个谜团的一个重要方面,为降低清洁水生产成本打开了大门。研究人员确定,海水淡化膜的密度和质量分布不一致,这可能会阻碍其性能。纳米尺度上的均匀密度是增加这些膜能产生多少清洁水的关键。

“反渗透膜广泛用于净水,但我们对它们还有很多不了解的地方,”德克萨斯大学奥斯汀分校土木、建筑和环境工程系副教授曼尼什·库马尔(Manish Kumar)说,他是这项研究的联合负责人。“我们不能确切地说水是如何通过它们的,所以过去40年的所有改进基本上都是在黑暗中进行的。”

研究结果发表于2020年12月31日科学

该论文证明,经过测试,膜的效率提高了30%-40%,这意味着它们可以清洁更多的水,同时使用更少的能源。这可能会增加获得清洁用水的机会,降低个人家庭和广大用户的水费。

反渗透膜的工作原理是对一边的含盐饲料溶液施加压力。当水通过时,矿物质留在那里。研究人员说,尽管比非膜式脱盐过程效率更高,但仍然需要大量的能源,而提高膜的效率可以减轻这种负担。

海水淡化的突破

即使在原子尺度上,过滤膜的密度也会极大地影响净水的产量。资料来源:恩里克·戈麦斯/宾夕法尼亚州立大学

“淡水管理正成为全世界面临的一个重大挑战,”参与领导这项研究的宾夕法尼亚州立大学化学工程教授恩里克·戈麦斯(Enrique Gomez)说。“短缺、干旱——随着日益严重的天气模式,预计这个问题将变得更加严重。拥有清洁的水资源至关重要,尤其是在资源匮乏的地区。”

美国国家科学基金会(National Science Foundation)和生产大量海水淡化产品的杜邦公司(DuPont)资助了这项研究。当杜邦公司的研究人员发现更厚的薄膜实际上被证明更具有渗透性时,就播下了种子。这让人感到惊讶,因为传统的知识认为厚度会减少通过薄膜的水量。

Kaitlin Brickey

论文的共同作者凯特琳·布里克(Kaitlin brickkey)是宾夕法尼亚州立大学化学工程专业的一名研究生,她站在扫描电子显微镜前,让研究人员能够检查膜上的致密袋会如何阻碍有效的水过滤工作。资料来源:Tyler Henderson/Penn State

该团队与Dow Water Solutions(现在是杜邦的一部分)联系,在2015年Kumar组织的“水峰会”上,他们渴望解决这个谜题。该研究团队还包括来自爱荷华州立大学的研究人员,他们在宾夕法尼亚州立大学材料表征实验室使用最先进的电子显微镜开发了纳米级膜结构的3D重建。他们模拟了水穿过这些膜的路径,从而根据结构预测水的清洁效率。德克萨斯高级计算中心的Greg Foss帮助可视化了这些模拟,并且大部分的计算都是在TACC的超级计算机stampede上执行的。

脱盐突破最大限度地流动为更便宜的水过滤更多关于这项研究的信息。

参考:“纳米尺度控制的内部不均匀性提高水运在海水淡化膜”,泰勒e .选Biswajit和冷暖,凯特林·Brickey迈克尔•特纳Tawanda j . Zimudzi杰弗里·d·威尔伯史蒂文·d·乔恩·阿布罗伊,谅解备忘录保罗,Baskar Ganapathysubramanian,安德鲁·l·Zydney Manish Kumar和恩里克·d·戈麦斯,2020年12月31日,科学
DOI: 10.1126 / science.abb8518

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