海水淡化膜再登《Science》

海水淡化，顧名思義，就是去除海水中的鹽分，以滿足人們?nèi)粘Ｉ钪酗嬘盟⑥r(nóng)業(yè)或工業(yè)用水的需求。據(jù)了解，全球有超過(guò)3億人依賴淡化水來(lái)滿足部分或全部的日常需求。隨著世界各地人口的不斷增長(zhǎng)和生活水平的顯著提高，未來(lái)該需求只會(huì)持續(xù)增加。

然而，從海洋中獲取飲用水需要復(fù)雜且昂貴的海水淡化技術(shù)，包括一系列高成本的預(yù)處理和后處理的系統(tǒng)，如抽取海水、預(yù)處理、反滲透、后處理以及最終的存儲(chǔ)和輸送。

圖1. 海水淡化技術(shù)的相關(guān)流程

目前，海水淡化領(lǐng)域的主流技術(shù)是反滲透膜技術(shù)。其中，反滲透膜的孔徑達(dá)到納米級(jí)，在一定壓力下，水分子可以通過(guò)而海水中的無(wú)機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無(wú)法通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)海水的淡化。然而，該技術(shù)一直存在高成本、高能耗和膜二次污染等問(wèn)題。

此外，該過(guò)程通常會(huì)留下難以處理的有毒鹽水，包含對(duì)植物有毒的硼以及對(duì)人類有害的重金屬，如砷和汞。

因此，急需開(kāi)發(fā)低成本，低能耗和高效率的水處理技術(shù)，同時(shí)能夠去除水中含有的有害金屬。

為了解決海水淡化的這一技術(shù)難題，加州大學(xué)伯克利分校Jeffrey R. Long教授課題組在《Science》刊文報(bào)道了一種能夠同時(shí)去除海水中的鹽分及重金屬的離子捕獲電滲析技術(shù)（ion-capture electrodialysis）。

研究人員首先合成了摻雜多孔芳香骨架材料(PAFs)納米粒子的聚合物離子交換膜，然后將其與電滲析脫鹽工藝相結(jié)合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該柔性聚合物膜在淡化海水的同時(shí)可以去除幾乎100%的有毒金屬（砷和汞），生產(chǎn)出純凈的鹽水和純凈水，并捕獲有價(jià)值的金屬（如金）供后續(xù)使用或處理。

此外，用不同的基團(tuán)修飾PAFs分子上的苯環(huán)，就能特異性地捕獲不同的物質(zhì)，十分靈活。

最重要的是，該海水淡化膜在水中和高溫條件下都具有良好的穩(wěn)定性，并且可以重復(fù)使用，為高效制備飲用水提供了新思路。研究成果以“Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes”為題，于4月16日發(fā)表在《Science》上!

多功能海水淡化膜的設(shè)計(jì)

在多功能海水淡化膜中使用的納米粒子被稱為多孔芳族骨架，即PAF，由有機(jī)節(jié)點(diǎn)和芳族連接基組成，具有高孔隙率類金剛石結(jié)構(gòu)，但碳原子之間由芳香族基團(tuán)連接，從而形成了許多內(nèi)部空間，可以將各種分子可以接枝到芳香基團(tuán)上以捕獲特定的化學(xué)物質(zhì)（圖2a-b）。

研究人員通過(guò)將具有離子選擇性PAF納米粒子（約200 nm）嵌入離子交換膜中，合成了一種柔性的多功能海水淡化膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有的薄膜都表現(xiàn)出明顯的光學(xué)透明性和機(jī)械柔韌性，說(shuō)明PAF粒子在膜中分散均勻。而且，由于骨架與聚合物之間的范德華相互作用，該海水淡化膜在水中和高溫下非常穩(wěn)定。

圖2. 復(fù)合膜的設(shè)計(jì)及其在離子捕獲電滲析中的應(yīng)用

可以同步分離鹽和重金屬，且可重復(fù)利用

研究人員將嵌入PAF納米粒子的薄膜納入電滲析系統(tǒng)用于海水淡化。當(dāng)施加電壓驅(qū)動(dòng)水中的離子通過(guò)薄膜時(shí)，不僅鈉離子與氯離子能夠與水分離，同時(shí)嵌在膜上的納米粒子還能夠捕獲特定的目標(biāo)金屬粒子（如Fe²⁺, Hg²⁺）及其他有害物質(zhì)。

而且，用不同的基團(tuán)修飾PAFs分子上的苯環(huán)，就能特異性地捕獲不同的物質(zhì)，十分靈活（圖2C）：如果要回收高價(jià)值的金屬（Au），則可以通過(guò)在膜中嵌入具有Au+1選擇性的PAF納米顆粒；如果需要在一個(gè)步驟中除去多種污染物，則嵌入多種類型的PAF納米顆粒，每一種都可以吸收不同的金屬或離子化合物。

比如，為了捕獲汞，研究人員將附著了硫醇的PAF納米粒子嵌入離子交換膜，制備了對(duì)汞具有高選擇性的聚合物膜。測(cè)試結(jié)果表明，一公斤的膜材料可以100%去除含Hg²⁺濃度為5 ppm的35000升水中的所有汞。

圖3. 復(fù)合膜對(duì)汞離子的高選擇性去除能力

此外，研究人員還證明了該膜至少可以重復(fù)使用10次以上，而不會(huì)失去其吸收離子金屬的能力。而且，含有可吸收金屬的PAF的膜可以輕松釋放其吸收的金屬，以進(jìn)行捕獲和再利用。

不難看出，該多功能海水淡化膜不僅實(shí)現(xiàn)了水的脫鹽和幾乎100%的重金屬離子去除，還可以回收高價(jià)值的金屬，并可重復(fù)使用，具有極高的商業(yè)價(jià)值。

雖然文章提出的離子捕獲電滲析這一概念證明報(bào)告?zhèn)戎赜趯?duì)各種陽(yáng)離子和中性物種的選擇性捕獲，但這一概念可以擴(kuò)展到構(gòu)建更復(fù)雜的分離方案，用于同時(shí)捕獲目標(biāo)陽(yáng)離子和陰離子，非常適用于開(kāi)發(fā)高效和選擇性的多功能分離使用吸附膜。
 

（來(lái)源：高分子科學(xué)前沿）