压力驱动蒸馏可实现快速选择性的水净化

膜技术可以对不明水源进行有效净化，以解决日益严重的水资源短缺问题。然而，当工程师开发最先进的膜时，他们受到相对于高渗透性缺乏选择性的限制。目前的膜去除低分子量中性溶质的能力也很差，并且容易因水处理固有的氧化剂而降解。

在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，DuongNguyen和来自美国和加拿大科罗拉多大学、不列颠哥伦比亚大学的环境与建筑工程、化学与生物工程研究小组开发了一种海水淡化方法，该方法使用施加压力以驱动蒸气通过膜传输。

在不牺牲盐消除的情况下，该团队开发了厚度低于200nm的膜，其透水性超过了商业膜，并且对氯和臭氧氧化剂敏感。结果导致对高通量超选择性过滤的蒸发行为进行了高级表征。

【资料图】

海水淡化

气候变化和不断增加的水需求导致资源稀缺，需要使用非传统水源。为了安全地使用水源，研究人员必须消除受污染水中几乎所有溶解的成分。为了实现这一目标，出现了反渗透等几种用于水回用和海水淡化的方法。在这项工作中，Nguyen和同事提出了一种概念验证方法，通过在疏水膜中捕获空气来使用压力蒸馏。

施加的压力驱动系统内的蒸发，从而通过孔隙进行气相扩散。材料科学家开发了厚度低于200nm的纳米多孔膜，以提高探针传输和海水淡化性能。即使膜暴露于氯和臭氧消毒剂，这种结构也能保持脱盐性能。

用于压力驱动蒸馏的纳米级气隙工程

研究人员使用空气捕集膜作为概念验证来测试用疏水涂层改性的多孔阳极氧化铝基材。该团队通过使用掩蔽、金属溅射和氟化烷基硅烷疏水涂层，将涂层限制在膜顶表面的亚微米层上。研究人员和土木工程师以前没有在加压应用中使用空气捕集膜，因为液态水会进入孔隙，从而损害膜的水盐选择性。

膜的孔径小于100nm，可在高水压下抵抗润湿。为期7天的长期实验表明，膜的除盐效果可以持续保持。研究小组减小了膜孔径，以便在水压下发挥作用，而不会润湿孔隙。这些结构保留了适合海水处理的孔径。

实现透水和除盐

现有最先进的膜在水渗透性和水盐选择性之间存在权衡，其中水渗透性的增加导致脱盐率的损失。在这项工作中，研究小组指出了气-液相变如何通过减少空气层的厚度来增加水的渗透性，而不牺牲水-盐的选择性。

由于这一特性，膜的透水率明显高于以前的工作。科学家们超出了这项研究的预期，他们展示了空气捕集膜达到适合高效海水淡化的水渗透率的可能性的实验证据。

溶质消除和化学弹性

研究小组使用蒸汽层作为具有不同选择性特性的分离屏障，而不是结合聚合物薄膜。他们使用这种膜测试了三种污染物的去除效果，包括硼、尿素和NDMA。该膜分别实现了99.1%和98.1%的硼和尿素去除，突显出两种溶质几乎完全去除。结果与商业膜形成鲜明对比，商业膜的过滤水平显着降低。

结果的改善归因于空气层形成了对非挥发性溶质几乎不可渗透的滤膜。空气层使Nguyen和同事能够使用抗氧化疏水膜材料。有趣的是，在将工程膜暴露于扫描电子显微镜和接触角分析后，科学家们证实了工程膜的结构和化学性质没有变化。

外表

通过这种方式，DuongNguyen及其同事使用压力驱动蒸馏工艺进行水净化，并施加压力来驱动蒸汽通过空气捕集膜。通过概念验证实验，科学家们实现了氯化钠、硼和尿素等非挥发性溶质的更高过滤水平。该材料的性能在暴露于持续水平的高浓度氯和臭氧时保持不变。

这项工作概述了压力驱动蒸馏方法的基本原理，尽管对基础蒸发过程的了解仍然存在差距。这些膜提供了一个广泛研究空气-膜界面蒸发现象的平台。