图/ pexels, Anna nekrashevich。
在西雅图长大的Allyson mcgauhey，南加州大学维特比工程学院21届博士，bob国际首页登录从来没有面对过干旱的日常现实。然而，在洛杉矶日益炎热和干燥的沙漠中，水的稀缺暴露无遗——这增加了寻找替代水解决方案的紧迫性。
研究发表在膜科学杂志mcgauhey与南加州大学Viterbi Gabilan杰出教授Amy Childress合作，bob国际首页登录揭示了关于如何最好地设计水净化过程的新见解-例如，水处理设施的废水处理-使用膜蒸馏(MD)。MD是一种利用薄而干燥的多孔膜将盐与水分离的过程。适度的温差促使水从一边流到另一边。
为了更好地理解这一点，想象一个意大利面过滤器，但小孔要小得多。通过过滤器的水流会被“清洗”掉水中的某些物质，这些物质太大而无法通过过滤器的孔(就像膜的孔隙)，在过滤器的另一侧留下“干净”的水流。尽管如此，任何比这些洞小的东西——比如我们吃意大利面的水里溶解的盐——仍然可以穿过。为了进一步净化，如果我们只收集蒸汽或纯水蒸气会怎样?现在，想象一个过滤器，只允许蒸汽，不允许液态水通过孔。然后，即使是溶解的盐也无法通过。通过使用一种非常疏水的膜，MD可以从受污染的溪流中提取纯净的、脱盐的水。
膜的一边是温暖的高盐度水流，另一边是凉爽的纯净水。加热的水蒸发，留下盐并形成蒸汽，当遇到膜另一侧的冷水流时，蒸汽转化为蒸馏液体。/阿廖沙MCGAUGHEY形象。
研究人员说，膜蒸馏的成功在很大程度上依赖于可以减少或消除膜中积聚的水分的膜设计。研究人员说，如果膜真的变湿了，它就会失去功效，影响处理过的水的质量。为此，mcgagahey，现在是普林斯顿大学他研究了如何最好地设计膜，使它们不会变得过于潮湿，并成功地处理水，消除盐分和污染物，创造出高质量或纯净的流出物。
mcgauhey说，在他们的主要发现中，减少膜孔大小或增加膜本身的厚度可以增加水的阻力，延缓或防止净化水流的污染。
膜通常由疏水或防水的合成材料制成，孔径为0.1至0.5微米。mcgauhey说，虽然其他过程通常比膜蒸馏更节能，例如，一种被称为反渗透的过程，但在盐水流的情况下，这些更典型的过程需要巨大的压力来迫使水分子通过膜。因此，这使得它们在处理非常咸的溪流时不太实用。
相比之下，膜蒸馏可以比反渗透更有效地净化含盐水，也可以让科学家净化通常被处理的含盐废水，因为传统的水处理工艺无法有效地清洗这些废水。
mcgauhey说，问题在于过滤废水的膜可能会过度湿润。她说:“在反渗透中，我们使用的是致密的无孔膜，这样只有水分子可以通过，但在膜蒸馏中，膜上有孔，如果膜湿了，就会产生污染。”
优化膜蒸馏以提高膜的耐水性
由于盐和水的化学性质，海水淡化本质上是一个昂贵和能源密集型的过程。研究人员说，盐很容易溶解在水中，形成的键很难断开。
“如果我们有选择，我们根本就不会去淡化海水，”mcgauhey说，“但我们越来越需要这种水。”
通过膜蒸馏，mcgauhey说，在干燥的膜的一侧放置一个温暖的咸水流，另一侧放置一个凉爽的纯水流。这两条溪流之间的温差是促使水流从一边流到另一边的驱动力。为了将纯水与盐和其他污染物分离，含盐水流中的水分子由于加热而从液体转变为蒸汽气体。
在干燥的膜孔内，有一个小的气隙，允许蒸汽收集，当盐水被加热并蒸发时，水蒸气会通过膜，同时把盐留在后面。因为气隙很小，把盐水变成蒸汽不需要太多的热量，这意味着你可以用太阳能来加热含盐液体。蒸汽代表纯化的水或蒸馏物，在膜的另一边，被冷水冷却，并返回到液体形式。
膜对液态水的抗性，或抗湿润性，是确保蒸馏液流实际上是净化而不是污染的关键。当膜变湿时，液态水从废水或盐水流中混合到纯净水流中，产生较低质量的输出，甚至可能产生不符合饮用标准的输出水。
研究人员说，关键是要弄清楚膜是如何在基本水平上失去其抗湿性的，以及如何通过膜材料的疏水性和孔径来防止这种情况的发生。
“我们现在有可以工作的膜，但当你达到极高的盐度时，膜表面会有盐沉淀，这仍然是一个很大的挑战，”mcgauhey说。
供水面临的新挑战
mcgauhey说:“管理高盐度废物流是一个重大挑战，例如工业废物流。”
“它(膜蒸馏)永远不会比反渗透更节能，但它可以利用太阳能热电或低品位的‘废热’，这意味着它可以依赖绿色能源。这意味着比我们用来驱动反渗透的电力更少的碳排放，而且还可以达到更高盐度的流。”她说。
mcgauhey说，膜蒸馏可以作为反渗透的一种补充，例如，在反渗透处理之后，你可以在下游(进一步在水处理过程中)使用。
她说:“膜蒸馏可以用于反渗透产生的被拒绝的盐水流，以最大限度地利用可用的水。”
mcgauhey还说，膜蒸馏也可以应用于农村和非电气化地区。
出版于2021年10月26日
最后更新于2021年10月26日
