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海水淡化膜再登《Science》!

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高分子科学前沿 2021-04-17 14:26

海水淡化,顾名思义,就是去除海水中的盐分,以满足人们日常生活中饮用水、农业或工业用水的需求。据了解,全球有超过3亿人依赖淡化水来满足部分或全部的日常需求。随着世界各地人口的不断增长和生活水平的显著提高,未来该需求只会持续增加。

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然而,从海洋中获取饮用水需要复杂且昂贵的海水淡化技术,包括一系列高成本的预处理和后处理的系统,如抽取海水、预处理、反渗透、后处理以及最终的存储和输送。

图1. 海水淡化技术的相关流程

目前,海水淡化领域的主流技术是反渗透膜技术。其中,反渗透膜的孔径达到纳米级,在一定压力下,水分子可以通过而海水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过,从而实现海水的淡化。然而,该技术一直存在高成本高能耗膜二次污染等问题。此外,该过程通常会留下难以处理的有毒盐水,包含对植物有毒的硼以及对人类有害的重金属,如砷和汞。

因此,急需开发低成本,低能耗和高效率的水处理技术,同时能够去除水中含有的有害金属

为了解决海水淡化的这一技术难题,加州大学伯克利分校Jeffrey R. Long教授课题组在《Science》刊文报道了一种能够同时去除海水中的盐分及重金属的离子捕获电渗析技术(ion-capture electrodialysis)。研究人员首先合成了掺杂多孔芳香骨架材料(PAFs)纳米粒子聚合物离子交换膜,然后将其与电渗析脱盐工艺相结合。结果发现,该柔性聚合物膜在淡化海水的同时可以去除几乎100%的有毒金属(砷和汞),生产出纯净的盐水和纯净水,并捕获有价值的金属(如金)供后续使用或处理。此外,用不同的基团修饰PAFs分子上的苯环,就能特异性地捕获不同的物质,十分灵活。最重要的是,该海水淡化膜在水中和高温条件下都具有良好的稳定性,并且可以重复使用,为高效制备饮用水提供了新思路。研究成果以“Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes”为题,于4月16日发表在《Science》上!

要点一:多功能海水淡化膜的设计

在多功能海水淡化膜中使用的纳米粒子被称为多孔芳族骨架,即PAF,由有机节点和芳族连接基组成,具有高孔隙率类金刚石结构,但碳原子之间由芳香族基团连接,从而形成了许多内部空间,可以将各种分子可以接枝到芳香基团上以捕获特定的化学物质(图2a-b)。

研究人员通过将具有离子选择性PAF纳米粒子(约200 nm)嵌入离子交换膜中,合成了一种柔性的多功能海水淡化膜。结果发现,所有的薄膜都表现出明显的光学透明性和机械柔韧性,说明PAF粒子在膜中分散均匀。而且,由于骨架与聚合物之间的范德华相互作用,该海水淡化膜在水中和高温下非常稳定。

图2. 复合膜的设计及其在离子捕获电渗析中的应用

可以同步分离盐和重金属,且可重复利用

研究人员将嵌入PAF纳米粒子的薄膜纳入电渗析系统用于海水淡化。当施加电压驱动水中的离子通过薄膜时,不仅钠离子与氯离子能够与水分离,同时嵌在膜上的纳米粒子还能够捕获特定的目标金属粒子(如Fe 2+, Hg 2+)及其他有害物质。

而且,用不同的基团修饰PAFs分子上的苯环,就能特异性地捕获不同的物质,十分灵活(图2C):如果要回收高价值的金属(Au),则可以通过在膜中嵌入具有Au +1选择性的PAF纳米颗粒;如果需要在一个步骤中除去多种污染物,则嵌入多种类型的PAF纳米颗粒,每一种都可以吸收不同的金属或离子化合物。

比如,为了捕获汞,研究人员将附着了硫醇的PAF纳米粒子嵌入离子交换膜,制备了对汞具有高选择性的聚合物膜。测试结果表明,一公斤的膜材料可以100%去除含Hg2+浓度为5 ppm的35000升水中的所有汞

图3. 复合膜对汞离子的高选择性去除能力

此外,研究人员还证明了该膜至少可以重复使用10次以上,而不会失去其吸收离子金属的能力。而且,含有可吸收金属的PAF的膜可以轻松释放其吸收的金属,以进行捕获和再利用

不难看出,该多功能海水淡化膜不仅实现了水的脱盐和几乎100%的重金属离子去除,还可以回收高价值的金属,并可重复使用,具有极高的商业价值

虽然文章提出的离子捕获电渗析这一概念证明报告侧重于对各种阳离子和中性物种的选择性捕获,但这一概念可以扩展到构建更复杂的分离方案,用于同时捕获目标阳离子和阴离子,非常适用于开发高效和选择性的多功能分离使用吸附膜。

参考文献:

Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes. Science 372 (6539), 296-299. DOI:10.1126/science.abf5991.

http://science.sciencemag.org/content/372/6539/296

来源:高分子科学前沿

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