实验证明纳米级结构可以改善反渗透海水淡化

一个跨国研究团队开发了一种工艺，该工艺建立在当前从海水中去除盐分的反渗透工艺的成功基础上。由中国科学院青岛生物能源与生物过程技术研究所姜和庆教授领导的研究人员于2022年11月18日在《纳米研究》上发表了他们的研究结果。

用于海水淡化的反渗透工艺的核心是一种称为聚酰胺膜的复合薄膜。

聚酰胺膜在淡水稀缺的海水淡化应用市场占据主导地位，但纳米级结构的引入可能代表技术的飞跃——随着淡水短缺的加剧，世界部分地区迫切需要这种技术。

Jiang和他的合著者表示，由人口快速增长和工业扩张造成的淡水短缺和水污染已经成为一个严重的问题，他们来自埃及、沙特阿拉伯和中国的研究机构——这些地方都有少量的淡水短缺。

Jiang和他的同事在聚酰胺膜内创建了多功能冠醚夹层，希望它能提高分离性能。

“在冠醚夹层的辅助下，聚酰胺膜在膜表面获得了更多的纳米级结构和纳米级厚度，有利于增强水性能，因为前者增加了有效过滤面积，而后者大大降低了质量转移阻力，”Jiang说。

“此外，膜中的纳米级孔隙可以提供高速通道以促进水的传输。开发的聚酰胺膜表现出优于原始聚酰胺膜的透水性，同时保持相当的脱盐率。”

这项研究是在其他努力开发微结构的同时进行的，这些微结构可以添加到聚酰胺膜中以提高反渗透效率，从而为每个给定的过滤单元提供更多的饮用水吞吐量。

在这种情况下，研究人员通过在用胺水溶液浸渍的基材上喷涂冠醚来制备膜，然后用均苯三甲酰氯/己烷溶液进一步处理以产生聚合反应，从而产生纳米结构并大大增加膜的有效表面积，以及厚度显着减少。

“这项工作的新颖之处在于开发了冠醚层间调制聚酰胺膜，得益于纳米级微结构的构建，它显示出优异的分离性能，”Jiang说。

“冠醚夹层不仅降低了界面聚合反应速率，还控制了密闭空间内的反应，从而形成了具有规则纳米级结构的超薄均匀聚酰胺层。这种膜的分离性能优于天然聚酰胺膜(我们的对照)，这表明构建夹层是调节聚酰胺膜微观结构和性能的更好策略。”

多种技术用于评估测试膜样品，包括红外光谱和X射线光电子能谱。Jiang表示，这项研究的下一步是调查这些积极的结果是否可重复和可扩展，这些信息是评估该技术未来商业可行性的潜力所需的信息。

“基于膜的分离技术对工业应用至关重要，尤其是在小分子/离子分离方面，”他说。

“高性能膜是永恒的追求，因为它不仅可以提高分离质量，还可以提高分离效率。考虑到冠醚对聚酰胺膜微观结构的高效调制和分离性能的显着提升，我们将探索大规模膜制造的可行性，并研究冠醚对使用真实海水作为进料溶液的分离性能的影响。”

“扩大聚酰胺膜在有机溶剂分离、气体分离等分离过程中的应用也很重要。”