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『环保』Science新发现:新型反渗透膜,厚度可调,有望实现海水淡化技术的突破!

DT导读


在最新一期的《Science》杂志上,康涅狄格大学的研究人员提出了一种新式膜的关键制备方法,这种膜是脱盐的必要组成部分,使我们重新思考如何设计和使用RO膜进行脱盐。这种可扩展的工艺可以更好地控制膜的基本性能,避免使用化学试剂,并且可以应用于各种膜的分离过程。

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海水淡化厂

目前,全世界有超过3亿人依赖淡化水来满足日常生活中几乎全部的需求,这种需求只会随着人口增长和生活水平的提高而增长。然而,目前海水淡化技术复杂且昂贵,其主要过程是脱盐,脱盐技术一般采用的是反渗透膜,即RO膜。这是一种迫使海水通过能够去除盐和其他小分子污染物的膜。虽然RO膜的使用在世界范围内持续增长,但存在许多缺点,包括高能耗和膜污染倾向等,这些持续困扰着整个行业的发展。

采用电喷雾的增材制造方法,康涅狄格大学的科学家们能够创造出超薄,超光滑的聚酰胺膜(PA),这种膜不易结垢,并且可能需要更少的电能来使水流过它们。

“今天用于反渗透的膜不是以允许控制其性质的方式制造的(不可控),” 康涅狄格大学化学与生物分子工程副教授和该论文的通讯作者Jeffrey McCutcheon解释道,“我们的方法采用'添加'技术,可以控制膜的基本性能,如厚度和粗糙度,目前使用传统方法是不可能做到的。

据了解制造RO膜的常规方法在近40年内没有改变,主要的传统方法被称为界面聚合。该方法依赖于水相胺和有机相酰氯单体之间的自终止反应。得到的聚酰胺薄膜 - 极薄,高选择性和透水性 - 成为RO的标准膜。然而,随着该领域的发展,需要更好地控制该反应以得到具有不同厚度和粗糙度的膜以优化水流并减少结垢。


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图中描绘了反渗透的过程


McCutcheon表示,康涅狄格大学的方法可以对聚酰胺膜的厚度和粗糙度进行更好的控制。

典型的聚酰胺膜的厚度在100-200nm之间,不能控制。UConn的电喷雾方法可以控制生成薄至15nm的膜,并能够以4nm的增量控制膜厚度,这是该领域之前从未达到水平。同样,典型的RO膜具有超过80nm的粗糙度,而康涅狄格大学的研究人员能够制造出粗糙度低至2nm的膜。


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图片由Maqsud R. Chowdhury / McCutcheon Lab提供


上图为一种独立的超薄聚酰胺薄膜,厚度约为1.1um,已成功地与其底层衬底分离,这是康涅狄格州制造工艺所特有的优势,可以更容易地表征薄膜的特性。(底部)薄膜表面的更近,微观的横截面视图。红色箭头之间的距离突出了薄膜的整体厚度。

“我们制造聚酰胺膜的印刷方法具有可扩展性的额外好处,”McCutcheon说。“就像静电纺丝在卷对卷加工方面取得了显着进步一样,电喷雾可以相对容易地进行缩放。” 同时,这种类型的制造可以节省化学品的消耗,因为传统的化学浴不是膜制造过程的一部分。

“与传统的界面聚合相比,在实验室中,我们使用的化学试剂等减少了95%。”McCutcheon说。“这些好处将在大规模制造中得到放大,并使制造过程比过去40年更加'绿色'。”


McCutcheon说:“这种创新的新方法并不局限于海水淡化,可以为其他分离工艺提供更好的膜,事实上,我们希望这种方法能够将新材料考虑用于无数的膜分离过程,可能是在这些材料之前没有或不能使用的过程中。” 他还是UConn的Fraunhofer美国能源创新中心的执行董事,该中心开发了新的应用膜技术。

除McCutcheon外,研究作者还包括最近获得博士学位的Maqsud Chowdhury,James Steffes和Bryan Huey。

该团队已经为该技术申请了专利,目前正与UConn的技术商业化服务部门合作 ,探索商业化选择。该团队因此还获得了康涅狄格大学SPARK技术商业化基金的奖励。

该研究得到了美国环境保护局(RD834872),通用电气研究生创新奖学金,国家科学基金会DMR:MRI奖#1726862以及康涅狄格大学学术计划资助计划和化学系的资助。


主要内容来自编译整理,仅供参考!

原文链接

https://today.uconn.edu/2018/08/new-findings-may-lead-sea-change-desalination-technology/#