控制膜的纳米结构是咸水淡化的关键

诸平

据美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）2020年12月31日提供的消息，该大学的研究人员发现，控制膜的纳米结构是清洁水的关键。相关研究结果于2021年1月1日已经在《科学》（Science）杂志印刷版发表（见上述截图）——Tyler E. Culp, Biswajit Khara, Kaitlyn P. Brickey, Michael Geitner, Tawanda J. Zimudzi, Jeffrey D. Wilbur, Steven D. Jons, Abhishek Roy, Mou Paul, Baskar Ganapathysubramanian, Andrew L. Zydney, Manish Kumar, Enrique D. Gomez. Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes. Science,  01 Jan 2021, Vol. 371, Issue 6524, pp. 72-75. DOI: 10.1126/science.abb8518

参与此项研究的除了美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员之外，还有美国爱荷华州立大学（Iowa State University）、杜邦水解决方案（DuPont Water Solutions）、陶氏化学公司（The Dow Chemical Company）以及德州大学奥斯汀分校（University of Texas, Austin）的研究人员。

咸水淡化实际上也就是采用脱盐膜来对咸水进行过滤:将其通过膜，得到适合农业、能源生产甚至饮用的洁净水。这个过程看起来很简单，但是它包含了许多复杂的问题，这些问题直到现在已经困扰了科学家们几十年。

来自美国宾夕法尼亚州立大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、爱荷华州立大学、陶氏化学公司和杜邦水解决方案的研究人员于2020年12月31日在《科学》（Science）杂志在线版上发表了一项关于了解膜是如何过滤水中矿物质的关键发现。这篇文章将刊登在2021年1月1日出版的《科学》杂志印刷版的封面上（见上述截图）。领导这项研究的宾夕法尼亚州立大学化学工程和材料科学与工程教授恩里克·戈麦斯(Enrique Gomez)说:“尽管滤水膜已经使用多年，但我们对滤水膜的工作原理仍知之甚少。我们发现，如何在纳米尺度上控制膜本身的密度分布，对产水性能非常重要。

德克萨斯大学奥斯汀分校土木、建筑和环境工程系副教授马尼什·库马尔（Manish Kumar）作为此项目的共同领导者，该团队使用了多模态电子显微镜（multimodal electron microscopy），它结合了原子尺度揭示化学成分以及确定淡化膜的密度和质量不一致的详细成像技术。研究人员在三维空间上绘制了聚合物薄膜的密度变化，空间分辨率约为1 nm——这还不到DNA链直径的一半。

恩里克·戈麦斯说，这一技术进步是理解膜密度作用的关键。“人的眼睛能看到咖啡过滤纸中有些地方的密度是多少。但是在过滤膜中，它看起来很均匀，而这种均匀并非是在纳米尺度上的均匀，如何在纳米尺度上控制质量分布对水过滤性能非常重要。”

恩里克·戈麦斯和马尼什·库马尔说，这令人惊讶，因为以前人们认为膜越厚，产水量就越少。

反渗透膜（Filmtec）现在是制造许多海水淡化产品的杜邦水解决方案公司(DuPont Water Solutions)的一部分，该公司与几所大学的研究人员合作并资助了这个项目，因为他们内部的科学家发现，更厚的膜实际上被证明更具渗透性。

研究人员发现，厚度并不像避免高度密集的纳米区域或“死区”那么重要。恩里克·戈麦斯表示，从某种意义上说，在最大限度地提高产量的过程中，膜的密度要比厚度更重要。

研究人员表示，这一认识可以使膜效率提高30%~40%，从而用更少的能量过滤更多的水，这无疑是对目前的海水淡化工艺进行了革新，即潜在的成本降低大有裨益。

马尼什·库马尔说:“反渗透膜被广泛用于净水，但我们对它们还有很多不了解的地方。”“我们不能真正说出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。”

反渗透膜的工作原理是在一侧施加压力。当水通过的时候，矿物质留在那里。研究人员说，虽然这比非膜脱盐过程更有效，但仍然需要大量的能量，但提高膜的效率可以减轻这种负担。

恩里克·戈麦斯说:“淡水管理正成为全世界面临的一个重大挑战。是因为淡水资源短缺、干旱和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。”

该团队继续研究膜的结构，以及海水淡化过程中涉及的化学反应。他们还在研究如何为特定材料开发最佳的膜，比如可以防止细菌生长形成的可持续且坚韧的膜。恩里克·戈麦斯说:“我们将继续采用更高性能的材料来推动我们的技术发展，以阐明有效过滤的关键因素。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

A biomimetic membrane for desalinating seawater on an industrial scale

Finding the path to better desalination

Polyamide membranes have been used in large-scale desalination for decades. However, because of the thinness of the membranes and their internal variability, it has been hard to determine which aspects of the membranes most affect their performance. Culp et al. combined electron tomography, nanoscale three-dimensional (3D) polyamide density mapping, and modeling of bulk water permeability with zero adjustable parameters to quantify the effect of 3D nanoscale variations in polymer mass on water transport within the polyamide membrane (see the Perspective by Geise). They found that variability in local density most affects the performance of the membranes. Better synthesis methods could thus improve performance without affecting selectivity.

Science, this issue p. 72; see also p. 31

Abstract

Biological membranes can achieve remarkably high permeabilities, while maintaining ideal selectivities, by relying on well-defined internal nanoscale structures in the form of membrane proteins. Here, we apply such design strategies to desalination membranes. A series of polyamide desalination membranes—which were synthesized in an industrial-scale manufacturing line and varied in processing conditions but retained similar chemical compositions—show increasing water permeability and active layer thickness with constant sodium chloride selectivity. Transmission electron microscopy measurements enabled us to determine nanoscale three-dimensional polyamide density maps and predict water permeability with zero adjustable parameters. Density fluctuations are detrimental to water transport, which makes systematic control over nanoscale polyamide inhomogeneity a key route to maximizing water permeability without sacrificing salt selectivity in desalination membranes.