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我国科学家发明超快海水淡化膜,能实现高通水量,具有抗污染能力

作者:易水环保网 发表时间:2022-06-22 09:01:24 来源:工业水处理

  近日,“我国科学家发明超快海水淡化膜”这一话题引发关注,这项研究由天津大学和南开大学师生共同组成的科研团队完成,相关成果已发表在近期的《自然·可持续发展》杂志上。

  

  

  (图源:36氪)

  据了解,这项新成果所使用的所有材料和技术全部由团队自主研发,具有完全独立自主知识产权;其实验室中所体现的优越性能,也被认为具有良好的应用前景。

  那么,这种海水淡化膜是一种什么材料?如何做到快速淡化海水?淡化海水可以大量应用到生活中吗?

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  热法、膜法、热膜耦合,都是什么?

  近日,天津大学化工学院2018级博士生王梅迪刚刚论文答辩结束,本可以长出一口气放松一下的他,工作却还远没有停止。

  作为项目的主要执行人,在实验室烧杯、烘箱、压缩泵的陪伴下,一次次做膜、测膜成为他的日常。

  王梅迪说:“2021年的春节,无论怎么说这个时间都让我很难忘,因为那是我第一次留校没有回家过年。当时膜有性能了之后,我非常激动,每天可以保持不间断地做膜和测膜,干劲十足,跟我的一些师弟师妹们一起合作,这个实验推进的进度非常快。”

  

  海水淡化技术流程示意图(姜忠义供图)

  王梅迪口中的“膜”是一种化学材料,有了它的帮助,让海水淡化得以实现。

  这次天津大学和南开大学共同组成的科研团队开发出的“超快海水淡化膜”,不仅能实现高通水量,还具有突出的抗污染能力,一定程度克服了传统反渗透膜寿命较低的问题。

  团队指导教师、天津大学化工学院教授姜忠义表示,团队这次使用的新技术,采用了热膜耦合的方法。

  姜忠义介绍:“海水淡化技术开发已经经过好几十年的历程了,开始的时候大家用热的方法,但是能耗相对高一些,因为水要汽化之后再冷凝,消耗大量的热量。

  随着膜技术的发展,开始出现了膜法,大家比较熟悉的叫反渗透RO膜。

  目前为止新建的海水淡化工程里绝大多数都是膜法,至少80%以上,甚至更高。后来在实验室探索能不能把热法、膜法耦合起来,叫热膜耦合的方法。我们采取的方法叫渗透蒸发或者渗透汽化。”

  2

  “马路”横平竖直,水分子才“跑得快”

  据了解,目前在世界范围内的海水淡化技术超过二十种,在沿海而缺水的许多国际城市,淡化海水甚至成为城市主要供水。

  我国沿海的许多城市,淡化海水也多有使用。在人均水资源量仅为全国平均水平9.5%的山东青岛,淡化海水约占每天自来水供水量的十分之一。

  青岛某海水淡化公司生产运营部负责人李珂表示,他们使用的方法,就是姜忠义口中的膜法,“利用反渗透膜将海水中的盐分(和杂质等)去除,得到淡水。不需要额外使用热能,直接利用电能,另外它项目建设更快、占地面积更小,制水过程是液体的转换,效率比较高一些,相应整体的综合能耗会低一些。”

  

  全国海水淡化工程规模增长图(姜忠义供图)

  姜忠义表示,他们的项目不仅集热法、膜法之所长,最大的创新还在于材料的选用。

  他说:“过去是传统的高分子材料优点是廉价易得,但是缺点是脱盐性能比较低。它是无序堆积的,高分子网络是随机交联结构,无序性比较高。就像马路一样,横平竖直,车开起来就比较快;马路是弯弯曲曲的、无序的,水分子在里面运动阻力肯定比较大。大家肯定希望膜孔通道是规整有序的,我们就借助一个新的材料叫共价有机框架材料,它正好符合有序度高,也是一个有机的材料。”

  3

  沙塔蠕虫“帮助”攻克难关?

  南开大学化学院研究员张振杰表示,共价有机框架材料2005年就由加州大学伯克利分校奥马尔·亚基教授发现。多年来,其独特性能一直被业界认为可用于海水淡化领域,然而却一直没有攻克其成膜性难关,所以在该领域的应用还是空白,而这也成为团队的最大挑战。

  他说:“这个材料一般是通过溶剂热的方法来合成的,材料都是以粉末、微晶状态存在,所以说它没有办法直接成膜。我们就把微晶粉末通过超声分散剥离成纳米胶带和纳米片,把一些小的膜碎片,通过静电相互作用,最后才构成一个无缺陷的膜。”

  

  四种共价有机框架材料相关数据图(张振杰供图)

  在仿生膜领域耕耘多年的姜忠义表示,在自然界里有一种叫沙塔蠕虫的生物,在筑巢过程中会利用触手抓住沙粒或贝壳碎片,在上面涂抹自己分泌的“胶水”,再把它们粘在巢上。团队使用的这种方法,恰好符合其仿生学特性。

  姜忠义说:“沙塔蠕虫把贝壳的片用自己的分泌唾液粘上来筑巢,我们想能不能把纳米片找东西给粘上,后来我们用了纳米带,像胶带一样,是南开大学教给我们做的,我们用纳米带粘纳米片,粘完之后,片比较大了,再做出膜质量就高了,比现在的高分子材料的性能要提升好多倍,甚至有时候能10倍以上,这一点我们可以讲在国际上走在前面。”

  4

  科研新成果,商用还有多远?

  全球可持续发展正在面临水资源短缺的挑战,数十亿人无法获取清洁的水,如果能把占地球总水量96%以上的海水大量转化为淡水,无疑是一个很好的解决方案。

  姜忠义表示,淡化海水和普通水没有实质区别,并且在技术上已经可以做到将淡化海水应用到日常生活中,“淡化海水用作饮用水没有问题,但目前来说,大家还是偏向用地下水、雨水,天然的水如果能满足饮用,淡化海水就先满足工业。现在实际上不是质量问题,而是价格。现在的淡化海水大概4元一吨,咱们现在喝的自来水2元一吨,两个质量还差不多,大家肯定选2元一吨的。”

  

  山东青岛某海水淡化厂

  虽然成本高一些,但在一些地区淡化海水已被逐步推广到市政供水使用,成为特殊情况下的战略储备。在极度缺水的海岛城市浙江玉环,当地某水务集团总经理高全煜表示,他们在海水淡化厂附近区域全部铺设了双管网,淡化海水已成为普通淡水之外重要的后备力量。

  高全煜说:“长距离境外引水大概要经过50多公里的引水管线,万一出现问题,我们水厂马上可以把产能扩大起来,满足基本用水需求。我们当时在建设时期就为之后预留了土地、空间。水质达到饮用水所有标准,现在还加了一道工艺,叫做后矿化工艺,增加了一些微量元素,更符合自然水的特性,更符合人体的要求。”

  

  浙江玉环的亚海水淡化项目

  高全煜介绍,未来淡化海水的应用前景广阔,不管是绿化清洁、工业制造还是生活用水都可以使用,但前提是进一步将使用成本降低,同时解决大量转化的质量和效率问题。而这,恰好就是天津大学与南开大学新成果的优势所在。

  张振杰说,目前,团队已经在开展进一步研究,争取让科研成果尽早服务社会。“我们课题组在研究如何把材料成本降低下来,目前我们已经可以降到一毛钱一克,成本已经和一些商业的多孔材料匹配了。另外就是怎么能实现规模化生产,姜忠义教授他们团队正在进行,理论上是可以非常容易进行放大的。据我所知,包括科技部的专家,还有一些公司都很感兴趣,正在推进下一步如何把它真正用起来。”


我国科学家发明超快海水淡化膜,能实现高通水量,具有抗污染能力
据了解,这项新成果所使用的所有材料和技术全部由团队自主研发,具有完全独立自主知识产权;其实验室中所体现的优越性能,也被认为具有良好的应用前景。
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