采用了COF膜的海水淡化實驗裝置。

随着人口增長、經濟發展及全球氣候變化，水資源短缺問題日益突出，不少科學家希望從廣闊的海水資源中尋求解法，海水淡化技術也在部分沿海地區得到推廣應用，但如何大規模、可持續、低成本地淡化海水卻一直是個難題。

近日，天津大學化工學院姜忠義、潘福生課題組和南開大學張振傑課題組研制出一種名為“共價有機框架”的新型膜材料（COF），可用于快速淡化海水，為高效海水淡化提供新機遇，相關研究已發表于國際期刊Nature Sustainability。5月27日，廣州日報全媒體記者采訪了姜忠義教授。

文、圖/廣州日報全媒體記者 程依倫 實習生 文字

蒸發冷凝、穿過半透膜

海水這樣“變”淡水

據了解，目前全球的海水淡化技術超過二十種，主要分為兩大類：以多效蒸餾和多級閃蒸為代表的熱法脫鹽技術，和以反滲透為代表的膜技術。

據介紹，盡管熱法脫鹽技術發展時間長，工藝設備及流程設計也更完善，但加熱海水至水蒸氣再進行冷凝成液态水過程複雜，在此過程中的能耗與成本相應較高。為降低海水淡化成本，膜法脫鹽技術應用應運而生。21世紀以來，膜法脫鹽技術迅速發展，逐漸蠶食熱法脫鹽市場，截至2019年，膜法海水淡化占比已高達65.7%。

膜法脫鹽技術以反滲透為代表，即利用半透膜将淡水與其他物質分離，當海水接觸膜時，水可通過膜的孔道，而鹽離子和其它雜質則因顆粒過大無法通過膜，從而實現膜對鹽離子截留的效果。利用反滲透技術淡化海水時，無需對海水汽化，因此脫鹽能耗與成本均得到顯著降低。

姜教授表示，高性能膜材料是高效膜法脫鹽的關鍵。理想的海水淡化膜材料應當孔道尺寸均勻合适，膜主體無明顯缺陷，否則鹽分也會透過膜進入膜的淡水一側，無法實現水與鹽的有效分離。

截住鹽離子 讓水快速通過

六年内攻克“成膜”難關

從微觀角度來看，海水淡化相當于實現水分子與鹽離子的分離，然而水分子和鹽離子大小尺寸相近，因此要求膜孔道尺寸介于水分子和鹽離子之間；但傳統高分子膜材料通常難以獲得均勻孔徑，為了實現有效海水淡化，往往制備緻密的膜結構，這樣的結構使得膜内部如同錯綜複雜的森林小道，在截留鹽離子的同時也限制了水分子的通過，整體的淡化效率較低。

“膜技術在海水淡化領域具有綠色低碳節能等特點，所以我們也想在這方面展開探索。”姜忠義介紹，團隊長期開展膜與膜過程研究，希望針對上述膜技術中低通量限制獲得突破，将膜材料的孔徑尺寸設計得恰到好處，既能截住鹽離子，也能讓盡可能多的水快速通過。

COF即共價有機框架材料，最早在2005年前後由美國加州伯克利大學教授奧馬爾·亞基發明。COF具有高化學穩定性、大比表面積及高孔隙率等特點，并可根據分離需求調整孔道的尺寸和親疏性，被視為可運用于海水淡化領域的新興利器。

COF材料在各方面的優越性引起姜忠義團隊的研究興趣，自2017年起，團隊陸續嘗試将這種材料用于電池質子傳遞、有機溶劑中的染料脫除等方面，積累相關成功經驗後，他們将目光轉向海水淡化領域。姜忠義介紹，COF是一種結晶态物質，要制成粉末狀态相對簡單一些，但要拼接組裝成超薄的膜材料則需經曆更多額外工序，正因如此，“成膜”問題一直是COF在海水淡化中高效發揮作用的瓶頸。

“就像在同一塊地方鋪地磚一樣，地磚塊數越多，産生連接的地方就越多，磚縫是最容易有缺陷的。”姜忠義解釋，COF膜内部是晶體的拼接，晶體與晶體之間的邊界脆弱，在實際淡化中容易被水流及鹽“攻擊”，如果将單個單元的面積做大，便可減少膜内的晶間邊界，讓“磚縫”變少。

為了填補邊界缺陷，團隊從沙堡蠕蟲的築巢過程中受到啟發。沙堡蠕蟲是一種軟體動物，在築巢時會先收集貝殼碎片、沙礫等作為建築材料，而其分泌的膠狀黏液可将碎片黏合在一起形成完整的居巢。COF膜中的結晶态納米片恰似基礎的建築材料，團隊便設計制備了納米帶，将納米帶作為黏合納米片邊縫的“膠水”，這樣一來，單片納米片的面積增大，形成完整而牢固的膜結構。相關數據表明，通過調節納米片與納米帶的比例，最佳COF膜對3.5%氯化鈉溶液的截留率可以達到99.91%，并獲得較高的水通量。

正探索規模化制備

淡化海水或先供工業

姜忠義表示，經過淡化的海水水質高于自來水，并且在技術上已可實現将淡化海水應用到日常生活中。他認為，如果目前天然水可滿足飲用需求，淡化海水可先供工業使用。他還透露，關于COF膜在海水淡化中的應用目前還在實驗室研究階段，還需要進一步探索規模化制備等問題，希望能進一步提高材料的性能，壓縮制作成本，以便日後開展規模化生産。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!