科學(xué)家揭示了新興水凈化技術(shù)的重要見解

隨著水資源短缺成為全球的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，科學(xué)家和工程師正在尋求從非常規(guī)來源(如海水甚至廢水)中采集凈化水的新方法。

其中一位研究人員是土木與環(huán)境工程系助理教授Tiezheng Tong，他的實(shí)驗(yàn)室正在研究一種名為膜蒸餾的新興技術(shù)。

膜蒸餾涉及薄的防水膜，其利用稱為“給水”的較熱的不純液體和稱為“滲透物”的較冷純凈水之間的蒸氣壓差。在此過程中，水蒸氣通過膜并與咸或臟的給水分離。據(jù)Tong介紹，膜蒸餾比反滲透等其他技術(shù)效果更好，反滲透不能處理脫鹽鹽水等極咸水或水力壓裂產(chǎn)出的水。

雖然它有希望，但膜蒸餾并不完美。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)膜以有效凈化水，同時(shí)確保清潔水的零污染。

Tong和材料科學(xué)家Arun Kota在機(jī)械工程系的共同努力下獲得了設(shè)計(jì)完美膜的基礎(chǔ)科學(xué)。在他們?cè)贜ature Communications中描述的新實(shí)驗(yàn)中，CSU研究人員提供了新的信息，說明為什么在膜蒸餾中使用的某些膜設(shè)計(jì)比其他膜設(shè)計(jì)更好。

“我們論文的基礎(chǔ)知識(shí)提高了對(duì)微孔基質(zhì)中水蒸氣傳輸?shù)臋C(jī)理理解，并有可能指導(dǎo)膜蒸餾中膜的未來設(shè)計(jì)，”Tong說。

在膜蒸餾中，加熱給水，通過揮發(fā)性的差異分離純的和不純的組分。微孔膜是設(shè)置的關(guān)鍵組件，因?yàn)樗试S水蒸氣通過，但不允許整個(gè)不純的液體。通常，膜由“疏水的”或防水材料制成，以便僅讓水蒸氣通過但保持給水的屏障。

然而，這些疏水性膜可能失效，因?yàn)榻o水(例如頁巖油產(chǎn)生的水)可具有低表面張力。這種低表面張力允許給水通過膜孔泄漏，污染另一側(cè)的純水 - 這種現(xiàn)象稱為膜潤濕。

之前的研究揭示了使用“全能”膜 - 膜可以排斥所有液體，包括水和低表面張力液體 - 保持蒸氣/水分離完好。但是，多能膜通常會(huì)減慢通過膜的水蒸氣的速率和數(shù)量，從而大大降低整個(gè)過程的效率。

科羅拉多州立大學(xué)的研究人員著手發(fā)現(xiàn)為什么存在疏水性與多能性膜之間的這種權(quán)衡。通過在Kota實(shí)驗(yàn)室的博士后研究人員Wei Wang和Tong的研究生Xuewei Du領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的疏水膜產(chǎn)生了更大的液 - 氣界面區(qū)域。這增加了發(fā)生的蒸發(fā)量。使用全能膜，他們看到了更小的液 - 氣界面。這解釋了膜的性能之間的差異。

在實(shí)驗(yàn)中使用的全能膜不需要沉積額外的顆粒。因此，研究人員能夠確定他們的觀察結(jié)果不是膜結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果。

雖然他們沒有提供折衷的解決方案，但他們的見解揭示了使膜蒸餾成為一項(xiàng)成功技術(shù)的核心挑戰(zhàn)。“如果你徹底理解這個(gè)問題，那么就有解決問題的余地，”Kota說。“我們已經(jīng)確定了機(jī)制;現(xiàn)在我們必須解決權(quán)衡問題。”

例如，具有特殊的無所述性和同時(shí)具有大的液 - 氣界面面積的智能膜可以使膜蒸餾成為用于水凈化的穩(wěn)健且成本有效的方法。該團(tuán)隊(duì)已開始進(jìn)行更多的合作研究，以設(shè)計(jì)這種智能膜，目的是提高膜蒸餾的效率。

Tong補(bǔ)充說，研究發(fā)生在兩個(gè)學(xué)科的界面：表面科學(xué)和膜技術(shù)。

“Arun和我利用我們的互補(bǔ)專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)地開展這項(xiàng)工作，”Tong說。“這是校園內(nèi)良好的跨學(xué)科合作的一個(gè)例子。”