研究人員發(fā)現(xiàn)控制膜的納米級(jí)結(jié)構(gòu)是清潔水的關(guān)鍵
脫鹽膜可作為鹽水的過濾器：將水推過膜，獲得適用于農(nóng)業(yè)，能源生產(chǎn)甚至飲用的清潔水。這個(gè)過程似乎很簡(jiǎn)單，但是它包含了使科學(xué)家困惑數(shù)十年的復(fù)雜復(fù)雜性，直到現(xiàn)在。
賓夕法尼亞州立大學(xué)，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，愛荷華州立大學(xué)，陶氏化學(xué)公司和杜邦水務(wù)公司的研究人員在《科學(xué)》雜志在線(12月31日)發(fā)表了一項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)，以了解膜如何從水中過濾礦物中的礦物質(zhì)。該文章將在明天(1月1日)發(fā)行的印刷版封面上刊登。
賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)工程和材料科學(xué)與工程學(xué)教授恩里克·戈麥斯(Enrique Gomez)說：“盡管使用了許多年，但我們對(duì)水過濾膜的工作原理仍然知之甚少。” “我們發(fā)現(xiàn)，如何在納米尺度上控制膜本身的密度分布對(duì)于產(chǎn)水性能確實(shí)非常重要。”
該團(tuán)隊(duì)由UT奧斯汀分校土木，建筑與環(huán)境工程學(xué)系副教授Manish Kumar領(lǐng)導(dǎo)，該團(tuán)隊(duì)使用了多峰電子顯微鏡技術(shù)，該技術(shù)將原子級(jí)詳細(xì)成像與揭示化學(xué)成分的技術(shù)結(jié)合在一起，以確定脫鹽膜在密度和質(zhì)量上不一致。研究人員繪制了三維尺寸的聚合物薄膜密度變化圖，其空間分辨率約為1納米-小于DNA鏈直徑的一半。戈麥斯認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步是理解膜中密度作用的關(guān)鍵。
戈麥斯說：“您可以親眼看到咖啡過濾器中某些地方或多或少的密度。” “在濾膜中，它看起來很均勻，但不是納米級(jí)的，而如何控制質(zhì)量分布對(duì)于水過濾性能而言確實(shí)很重要。”
戈麥斯和庫瑪說，這令人驚訝，因?yàn)橐郧罢J(rèn)為膜越厚，產(chǎn)水量就越少。Filmtec現(xiàn)在是制造許多脫鹽產(chǎn)品的杜邦水務(wù)解決方案的一部分，與研究人員合作并資助了該項(xiàng)目，因?yàn)樗麄兊膬?nèi)部科學(xué)家發(fā)現(xiàn)更厚的膜實(shí)際上被證明具有更高的滲透性。
研究人員發(fā)現(xiàn)，厚度與避免高密度納米級(jí)區(qū)域或“死區(qū)”無關(guān)緊要。從某種意義上說，要使水的產(chǎn)量最大化，整個(gè)膜上更一致的密度比厚度更重要。
據(jù)研究人員稱，這種理解可以使膜效率提高30%到40%，從而以更少的能量過濾更多的水-這可能是當(dāng)前脫鹽工藝節(jié)省成本的更新。
庫馬爾說：“反滲透膜被廣泛用于清潔水，但是我們對(duì)它們的了解還很多。” “我們不能真正說出水是如何流過它們的，所以過去40年中的所有改進(jìn)基本上都是在黑暗中完成的。”
反滲透膜通過在一側(cè)施加壓力來工作。礦物質(zhì)留在那里，而水卻流過。研究人員說，雖然比非膜脫鹽工藝更有效，但仍需要消耗大量能量，但是提高膜的效率可以減輕這種負(fù)擔(dān)。
戈麥斯說：“淡水管理正在成為世界范圍內(nèi)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。” “干旱，干旱-隨著惡劣天氣的加劇，預(yù)計(jì)這個(gè)問題將變得更加嚴(yán)重。擁有潔凈水至關(guān)重要，尤其是在資源貧乏地區(qū)。”
該小組繼續(xù)研究膜的結(jié)構(gòu)以及脫鹽過程中涉及的化學(xué)反應(yīng)。他們還在研究如何針對(duì)特定材料開發(fā)最佳膜，例如可持續(xù)而堅(jiān)韌的膜，以防止細(xì)菌生長。
戈麥斯說：“我們正在繼續(xù)用更多高性能材料推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，以期闡明有效過濾的關(guān)鍵因素。”