科学家揭示了新兴水净化技术的重要见解

随着水资源短缺成为全球的一项重大挑战，科学家和工程师正在寻求从非常规来源(如海水甚至废水)中采集净化水的新方法。

其中一位研究人员是土木与环境工程系助理教授Tiezheng Tong，他的实验室正在研究一种名为膜蒸馏的新兴技术。

膜蒸馏涉及薄的防水膜，其利用称为“给水”的较热的不纯液体和称为“渗透物”的较冷纯净水之间的蒸气压差。在此过程中，水蒸气通过膜并与咸或脏的给水分离。据Tong介绍，膜蒸馏比反渗透等其他技术效果更好，反渗透不能处理脱盐盐水等极咸水或水力压裂产出的水。

虽然它有希望，但膜蒸馏并不完美。一个关键的挑战是设计膜以有效净化水，同时确保清洁水的零污染。

Tong和材料科学家Arun Kota在机械工程系的共同努力下获得了设计完美膜的基础科学。在他们在Nature Communications中描述的新实验中，CSU研究人员提供了新的信息，说明为什么在膜蒸馏中使用的某些膜设计比其他膜设计更好。

“我们论文的基础知识提高了对微孔基质中水蒸气传输的机理理解，并有可能指导膜蒸馏中膜的未来设计，”Tong说。

在膜蒸馏中，加热给水，通过挥发性的差异分离纯的和不纯的组分。微孔膜是设置的关键组件，因为它允许水蒸气通过，但不允许整个不纯的液体。通常，膜由“疏水的”或防水材料制成，以便仅让水蒸气通过但保持给水的屏障。

然而，这些疏水性膜可能失效，因为给水(例如页岩油产生的水)可具有低表面张力。这种低表面张力允许给水通过膜孔泄漏，污染另一侧的纯水 - 这种现象称为膜润湿。

之前的研究揭示了使用“全能”膜 - 膜可以排斥所有液体，包括水和低表面张力液体 - 保持蒸气/水分离完好。但是，多能膜通常会减慢通过膜的水蒸气的速率和数量，从而大大降低整个过程的效率。

科罗拉多州立大学的研究人员着手发现为什么存在疏水性与多能性膜之间的这种权衡。通过在Kota实验室的博士后研究人员Wei Wang和Tong的研究生Xuewei Du领导的实验室进行的系统实验，他们发现传统的疏水膜产生了更大的液 - 气界面区域。这增加了发生的蒸发量。使用全能膜，他们看到了更小的液 - 气界面。这解释了膜的性能之间的差异。

在实验中使用的全能膜不需要沉积额外的颗粒。因此，研究人员能够确定他们的观察结果不是膜结构变化的结果。

虽然他们没有提供折衷的解决方案，但他们的见解揭示了使膜蒸馏成为一项成功技术的核心挑战。“如果你彻底理解这个问题，那么就有解决问题的余地，”Kota说。“我们已经确定了机制;现在我们必须解决权衡问题。”

例如，具有特殊的无所述性和同时具有大的液 - 气界面面积的智能膜可以使膜蒸馏成为用于水净化的稳健且成本有效的方法。该团队已开始进行更多的合作研究，以设计这种智能膜，目的是提高膜蒸馏的效率。

Tong补充说，研究发生在两个学科的界面：表面科学和膜技术。

“Arun和我利用我们的互补专业知识系统地开展这项工作，”Tong说。“这是校园内良好的跨学科合作的一个例子。”

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