仿生粘合有机框架膜有望实现高效低成本海水淡化

原标题：仿生粘合有机框架膜 有望实现高效低成本海水淡化

用这种方法制备的COF膜用于渗透蒸发脱盐，处理重量百分比为3.5的氯化钠水溶液，水通量可达每小时267千克/平方米，为市面上传统高分子膜4—10倍，脱盐率达99.9%。同时，COF膜表现出良好的抗污染能力和长期稳定性，盐浓度适用范围广，展现出很强的适用性。

我们生活在一颗蓝色的星球上，海水约占地球表面积的71%，而陆地淡水资源只占地球上水体总量的2.53%。因此海水淡化是解决地球淡水资源缺乏的有效途径之一。

日前，天津大学化工学院姜忠义、潘福生课题组和南开大学张振杰课题组研制出一种名为“共价有机框架”（COF）的新型膜材料，应用于渗透蒸发脱盐技术，可快速淡化海水，而且该方法整体综合能耗比目前已有的海水淡化技术更低。相关研究发表在国际期刊《自然·可持续发展》上。

渗透蒸发成海水淡化新兴技术

现有的海水淡化技术根据技术原理大致可分为热法（或称蒸馏法、蒸发法）和膜法两大类。

“热法脱盐的核心在于利用热能驱动盐水相变（从液态水变为水蒸气），通过相变过程实现挥发性物质水和非挥发性物质盐的分离。”天津大学化工学院教授姜忠义介绍，多级闪蒸和多效精馏是发展时间最长，应用最为广泛的两类热法脱盐技术，这两种技术的装机容量占全球海水淡化总装机容量的25%。

热法脱盐虽然脱盐率高达99.9%，处理量大，但需要把液态水变为水蒸气，因此能耗较高，产水总体成本大约为6.5—17.7元/吨。因此热法脱盐在热量充足的中东地区等应用更为广泛。

膜法脱盐包括反渗透、正渗透、纳滤等，因为无相变过程，所以通常无需提供水的汽化潜热。

“相比于热法脱盐，膜法脱盐在能耗上表现出显著优势。反渗透技术是最为成熟的膜法脱盐技术。”天津大学化工学院研究员潘福生解释，这种技术利用半透膜实现盐离子和水分子分离，通过精密构筑膜孔道尺寸及电荷性质，使得膜只允许水分子通过而截留盐离子。当在盐水侧施加一个大于盐水渗透压的压力，即可驱动水分子由盐水侧向淡水侧扩散，而盐离子无法通过，即可实现盐水分离。

由于反渗透技术不需要相变，不需要消耗潜热，如果水回收率达到50%的时候，其热力学极限能耗为1.06千瓦时/每立方米（kWh/m3），远低于热法脱盐的13kWh/m3，其产水成本为4.7—7.4元/立方米。

目前膜法反渗透技术已成为全球装机容量最大（约占69%）、应用最为广泛的脱盐技术。

“也因为如此，膜材料被称为海水淡化技术的‘芯片’。”潘福生介绍，国内相关研究起步较晚，海水淡化反渗透膜使用的高端聚酰胺膜材料主要依赖进口，核心材料、工艺、装备的国产化依旧是膜技术领域急需解决的问题。

近年来兴起了一类新的脱盐技术，即热—膜耦合脱盐技术，如渗透蒸发。该类技术既具有热法的相变过程，也具有膜法选择渗透特性，因此在能耗和脱盐性能上均表现出独特优势。

“渗透蒸发脱盐的原理是海水在膜两侧蒸汽压差的推动下，水分子在膜中经过液体流动，发生相变，最终以气态形式透过膜，而后冷凝收集。”潘福生介绍，不同于膜蒸馏，渗透蒸发膜为亲水的致密材料，孔径通常小于1纳米，膜本身具有阻隔盐离子的能力，起到主要分离作用，同时盐无法发生相变，从而被进一步截留。同时，大量的纳米膜孔道作为毛细管可提供丰富的蒸发面积，其气—液界面的存在也可以让水轻松通过。

渗透蒸发具有膜法脱盐低能耗的优势，其能耗估算约为5—7kWh/m3，电能消耗低于反渗透技术，因此其产水成本预计为4.5—12.9元/立方米，有望成为最为经济的脱盐技术之一。

仿生技术解决成膜性差难题