前沿脱盐技术研究概况--新型膜材料之第二篇

水是可再生资源，但日益增长的人口数量和人口密度给很多地方的供水能力带来了压力。据联合国预测，到本世纪中叶，有20-70亿的人将面临水资源缺乏的局面。为了应对这一情况，水行业将越来越依赖海水和苦咸水脱盐技术。

脱盐技术分为膜法技术和热法技术。脱盐技术的主要缺点是成本高。SWRO技术中，电能花费占到了总处理成本的30%，因此降低能耗是降低脱盐处理成本的关键。一些新型膜材料可以降低能耗的同时带到良好的脱盐效果。本期微信将介绍另外两种新型膜材料。

1纳米管膜

碳纳米管由于传输快、表面积大和易功能化，已被研究用于脱盐。通过Hagen-Poiseuille方程预测，相比RO膜，使用碳纳米管脱盐能耗可以显著降低，这是由于碳纳米管的水通量比理论水通量高2-5倍。通过碳纳米管膜的水和离子的直径范围为6-11Å。这么高的通量主要归功于纳米管的原子平滑度和分子有序化，水分子以一维纵队的形式通过碳纳米管。科学家认为膜中加入碳纳米管是有前途的脱盐技术，因为管的大小和均匀性可以达到拦截盐分的要求。使用碳纳米管RO膜预计可增加10倍的渗透率。

碳纳米管的离子拦截受纳米孔径和膜表面道南平衡所产生的离子水合直径的空间效应控制。研究人员通过分子动力学模拟发现，随着纳米管的内径从0.32nm增加到0.75nm，膜对盐分的去除效率从100%下降到58%。结果发现，碳纳米管膜的除盐效率随着膜表面静电相互作用电荷的增加而提高。因此对碳纳米管的表面进行改性可能提高脱盐效率。与传统的膜相比，碳纳米管膜的另一个优势是其出色的机械性能带来较长的使用寿命。研究表明，与碳纳米管相比，氮化硼纳米管具有优良的透水特性，同时能实现100%的脱盐率。使用半径为4.14Å的纳米管可将膜功能化为阳离子选择性膜。当一个纳米管半径为5.52Å时，膜被功能化为阴离子选择性膜。

碳纳米管的盐吸附容量也经过了评估。研究结果表明，等离子体处理的碳纳米管可具有超高盐吸附容量，重量超过400%。改性的碳纳米管制备是将一层薄薄的纳米管附着到混合纤维素酯多孔基质上。这些改性的碳纳米管的吸附容量比活性炭高出两个数量级。盐吸附容量通过自来水冲洗就可以完全恢复。改性碳纳米管的盐吸附容量增加是因为等离子体处理后的膜表面存在缺陷。除了高表面积，由于羧基和羟基功能化，改性后的表面增强了表面亲水性和离子结合特性。由于盐是被吸附而不是被拦截，所以无需施加压力。因此可以大幅减少能耗。

成套的纳米管膜相比传统膜更具显著优势，通过降低水的驱动压力从而降低能源成本。但碳纳米管膜的产水能力是有限的，因为渗透压受热力学限制。还不确定是否可以将纳米管高密度排列以获取理论预测渗透率。碳纳米管是一种可大量生产的材料，然而纳米管合成后，制造大表面积的膜是其商业化的关键步骤。

2石墨烯膜

石墨烯膜具有快速输水性能和良好的机械性能。类似于碳纳米管中的水渗透机制，二维石墨烯微孔允许低摩擦单层水分子通过，以这种尺寸的拦截作为主要筛分机制。研究人员通过超声分散石墨烯以及喷涂或旋涂分层法来制备氧化石墨烯（GO）薄片。虽然石墨烯不透水，但可通过毛细管运输水分子。并且通过开放的孔隙能以最快的速度运输水分子。石墨烯层内形成的毛细管主要都是官能团，像羟基和环氧树脂等，能创建微孔。这些官能团组成一个集群，使石墨烯薄片中大的、可渗透的区域不被氧化。这些GO薄片的非氧化区域间形成了一定的空间。研究发现薄片在干燥状态下是真空密封的，但当浸泡在水中时就会膨胀并形成分子筛，从而阻挡所有水合半径大于4.5Å的溶质。微孔在水环境中是开放的，从而产生低摩擦水流。

科研人员还研究了石墨炔，即单原子厚度的石墨烯的同素异形体。石墨炔是以乙炔连接键（碳碳三键）取代了石墨烯中的某些共价键，形成α-石墨炔，β-石墨炔，γ-石墨炔及其类似物。结果证明海水中常见的离子被石墨炔单分子层100%去除，而透水性却比商用RO膜高出两个数量级。使用分子动力学和计算机模拟研究水分子通过GO层的传输及其在脱盐领域的应用。研究人员利用分子动力学和计算机模拟来研究水分子通过GO层的运输。结果表明，保持脱盐率100%的情况下，当毛细孔隙尺寸增加时，通过石墨炔膜的水通量升高了2个数量级。

研究表明可以通过生成纳米级微孔来调整GO膜的选择性。氧化刻蚀处理生成的微孔直径为0.40±0.24nm，密度超过1012cm-2。氧化时间短时，由于在孔隙边缘带负电荷的官能团产生的静电排斥作用，微孔是阳离子选择性的。氧化时间更长时，微孔阻止较大有机分子的传输，但允许盐通过，意味着存在空间排阻。为了制备能应用于脱盐的GO膜，研究人员在聚酰胺复合膜（PA-TFC）RO膜上集成GO纳米薄片。通过逐层叠加电荷相反纳米薄片，将GO材料涂覆到PA-TFC膜表面，从而增加RO膜的亲水性并减少其表面粗糙度。GO纳米薄片改变了RO膜的特征，从而增强了抗蛋白质污染和耐氯性。

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