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(mǎn)足人們日常生活中飲用水、農業(yè)或工業(yè)用水的需求。據了解,全球有超過(guò)3億人依賴(lài)淡化水來(lái)滿(mǎn)足部分或全部的日常需求。隨著(zhù)世界各地人口的不斷增長(cháng)和生活水平的顯著(zhù)提高,未來(lái)該需求只會(huì )持續增加。
然而,從海洋中獲取飲用水需要復雜且昂貴的海水淡化技術(shù),包括一系列高成本的預處理和后處理的系統,如抽取海水、預處理、反滲透、后處理以及最終的存儲和輸送。
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,反滲透膜的孔徑達到納米級,在一定壓力下,水分子可以通過(guò)而海水中的無(wú)機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質(zhì)無(wú)法通過(guò),從而實(shí)現海水的淡化。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,包含對植物有毒的硼以及對人類(lèi)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合。結果發(fā)現,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)供后續使用或處理。
此外,用不同的基團修飾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定性,并且可以重復使用,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計
在多功能海水淡化膜中使用的納米粒子被稱(chēng)為多孔芳族骨架,即PAF,由有機節點(diǎn)和芳族連接基組成,具有高孔隙率類(lèi)金剛石結構,但碳原子之間由芳香族基團連接,從而形成了許多內部空間,可以將各種分子可以接枝到芳香基團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。結果發(fā)現,所有的薄膜都表現出明顯的光學(xué)透明性和機械柔韌性,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定。
圖2. 復合膜的設計及其在離子捕獲電滲析中的應用
可以同步分離鹽和重金屬,且可重復利用
研究人員將嵌入PAF納米粒子的薄膜納入電滲析系統用于海水淡化。當施加電壓驅動(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金屬粒子(如Fe2+, Hg2+)及其他有害物質(zhì)。
而且,用不同的基團修飾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(lèi)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(zhù)了硫醇的PAF納米粒子嵌入離子交換膜,制備了對汞具有高選擇性的聚合物膜。測試結果表明,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. 復合膜對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告側重于對各種陽(yáng)離子和中性物種的選擇性捕獲,但這一概念可以擴展到構建更復雜的分離方案,用于同時(shí)捕獲目標陽(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)