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      寧波材料所在便攜式海水淡化正滲透膜材料與應用研究方面取得進展
      作者:,日期:2018-10-18

        膜法海水淡化技術是一種行之有效的水資源的開源增量技術,是緩解沿海地區與城市用水危機最重要的方法之一。據不完全統計,截至2013年底,全球海水淡化工廠超過13000多座,其中沙特阿拉伯海水淡化生產能力占全球的24%。預計到2020年,我國沿海地區的高用水企業的工業冷卻水基本上由淡化海水供給。基于膜法海水淡化技術,尤其是反滲透膜法海水技術的不斷完善與升級,我國沿海地區的城市及海島的日常淡水供給得到了有力保障。但是,反滲透海水淡化技術是一項及其復雜的系統工程、占地規模大、能耗高、運行與維護成本高,不適宜小規模的應用與推廣,難以保障突發事件中應急營養液的有效供給。

        正滲透膜法海水淡化技術是近年來興起的解決水資源問題的前瞻性技術。正滲透是指水從低濃度溶液的一端,通過選擇性半透膜,轉移到高濃度溶液的一端,而溶質被截留的過程。正滲透是自發滲透過程,不需要外加壓力驅動,能耗低,且正滲透過程膜污染低,并以可逆污染為主,通過簡單的水力清洗即可恢復,在處理高污染水體方面具有顯著優勢。因此,正滲透膜法海水淡化技術近年來發展迅速,國內外許多高校及科研院所都投入了大量的人力與物力,遺憾的是,目前國內外仍然難以見到成熟的正滲透膜及正滲透海水淡化裝置與設備。

        中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋環境材料團隊從正滲透膜材料的結構出發,先對支撐膜孔結構進行精細調控,再對其進行表面修飾,最終得到性能優異的正滲透膜材料,研究正滲透膜材料孔結構的調控機制及演變機理、建立膜材料結構與性能之間的“構效關系”。近日,該團隊在聚砜溶液中引發丙烯酸(AA)發生原位聚合反應,生成制膜液,通過蒸汽-非溶劑誘導相分離(V-NIPS)直接制備成PSf/PAA多孔膜。常見的多孔支撐膜為非對稱結構,即存在致密的皮層和大孔結構,以新的成膜技術制備的膜表面為蠕蟲狀結構,且斷面為互穿網絡結構,膜強度高。PAA的羧基賦予膜更強的親水性,利于水分子的快速通過,提高水通量。由于羧基基團與銅離子之間強的相互作用,PSf/PAA膜能夠吸附水體中的銅離子,再利用羧基基團的pH響應性實現銅離子的釋放,可重復用于海水中重金屬離子的脫除。進一步地,該團隊基于蒸氣誘導相分離過程原位構造聚砜/聚異丙基丙烯酰胺(PSf/PNIPAm)溫敏性聚合物多孔支撐膜。溫度升高時,PNIPAm鏈段塌縮,孔徑增大,水通量隨之增大;降溫時,PNIPAm鏈段伸展,孔徑減小,水通量降低。環境響應性支撐膜的設計,為智能型正滲透海水淡化膜的實現提供了有力支持。

        進一步地,海洋環境材料團隊利用多巴胺的超強粘附性和二次反應特性,對支撐膜進行表面修飾,得到正滲透膜材料,并將其四邊膠封成器件,應用于應急海水淡化領域,其海水淡化效率為美國 HTI(Hydration Technologies Inc)公司同類產品的2.5倍以上,能夠為在海上與野外等特殊場所執行特殊任務的兵士、偶遇突發事件的艦艇與船舶的工作人員、面臨突發自然災害與水路污染的民眾供給應急營養液,維持生命。

        圖 正滲透膜材料及其在海水淡化中的應用

        (表面事業部 朱麗靜 宋海明 曾志翔)

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