《Science》發表海水淡化膜材料的最新發現：密度均勻分佈是效能的關鍵

過濾膜可以去除水中的鹽分和其他化學物質，可用於海水淡化生產數億噸的清潔水服務於工業、農業、能源生產和飲用水行業。聚醯胺膜已經在大規模脫鹽中使用了數十年。然而，由於膜厚度很小，內部可變因素較多，人們對膜的工作原理仍知之甚少。如何降低海水淡化成本來生產清潔水這個問題也困擾了人們數十年。

近日，美國德州大學奧斯汀分校、賓州州立大學、愛荷華州立大學以及杜邦水務解決方案聯合發表的一項研究顯示，過濾膜看起來很均勻，但不是在奈米尺度上；膜的密度和質量分佈不均會影響其效能；如果能夠在奈米尺度上控制膜密度的均勻分佈，可以大大提高膜的效能，生產更多的清潔水。該項研究釋出在今年一月份的《Science》上。

我們都知道，基於膜蛋白的內部奈米結構，生物膜可以在保持高選擇性的同時，實現極高的滲透性。在這裡，研究團隊將這種設計理念應用於海水淡化膜，在工業規模的生產線中合成了一系列聚醯胺膜。這些膜的化學成分相似，但工藝條件各不相同，顯示出了不斷提高的透水性和活性層厚度以及恆定的氯化鈉選擇性。

研究人員透過透射電子顯微鏡，繪製了聚醯胺在奈米級別的三維密度圖，並結合電子斷層成像技術和水滲透率預測模型，成功量化了聚醯胺膜內奈米級別的密度波動對水傳輸的影響。他們發現這種密度波動對膜效能影響最大，如果能夠在膜材料和膜生產工藝上最佳化膜的合成使其密度分佈均勻，那麼將會在不影響膜的選擇性的條件下極大地提高膜的效能。

聚醯胺膜的3D模型顯示水避開了膜密度較大的位置且流動緩慢：膜上方的紅色表示加壓高鹽水；中間金黃色的粒狀海綿結構表示濾膜內不同的密度區域；銀色通道表明水的流動；底部藍色表示壓力較小側的低鹽水。

以前人們認為膜越厚，產水量就越少。但是這項發現卻證實膜的厚度可能沒有那麼大的影響。從某種意義上說，在最大限度提高產量的過程中，整個膜的密度要比厚度更一致。根據研究人員的說法，這一認識可以使膜效率提高30%到40%，從而可以用更少的能耗過濾更多的水。

參考資料

Levy, N. (2020, December 31). DesalinationBreakthrough Could Lead to Cheaper Water Filtration. Retrieved from UTEXAS:https://news.utexas.edu/2020/12/31/desalination-breakthrough-could-lead-to-cheaper-water-filtration/

Culp, T., Khara, B., Brickey, K.,Geitner, M., Zimudzi, T., Wilbur, J., . . . Gomez, E. (2021). Nanoscale controlof internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes. Science,371(6524), 72-75.