寧波材料所在便攜式海水淡化正滲透膜材料與應(yīng)用研究方面取得進(jìn)展
膜法海水淡化技術(shù)是一種行之有效的水資源的開源增量技術(shù)，是緩解沿海地區(qū)與城市用水危機(jī)最重要的方法之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(chǎn)能力占全球的24%。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)沿海地區(qū)的高用水企業(yè)的工業(yè)冷卻水基本上由淡化海水供給?；谀しêＫ夹g(shù)，尤其是反滲透膜法海水技術(shù)的不斷完善與升級(jí)，我國(guó)沿海地區(qū)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(shù)是一項(xiàng)及其復(fù)雜的系統(tǒng)工程、占地規(guī)模大、能耗高、運(yùn)行與維護(hù)成本高，不適宜小規(guī)模的應(yīng)用與推廣，難以保障突發(fā)事件中應(yīng)急營(yíng)養(yǎng)液的有效供給。
正滲透膜法海水淡化技術(shù)是近年來興起的解決水資源問題的前瞻性技術(shù)。正滲透是指水從低濃度溶液的一端，通過選擇性半透膜，轉(zhuǎn)移到高濃度溶液的一端，而溶質(zhì)被截留的過程。正滲透是自發(fā)滲透過程，不需要外加壓力驅(qū)動(dòng)，能耗低，且正滲透過程膜污染低，并以可逆污染為主，通過簡(jiǎn)單的水力清洗即可恢復(fù)，在處理高污染水體方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，正滲透膜法海水淡化技術(shù)近年來發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)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(shè)備。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋環(huán)境材料團(tuán)隊(duì)從正滲透膜材料的結(jié)構(gòu)出發(fā)，先對(duì)支撐膜孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，再對(duì)其進(jìn)行表面修飾，最終得到性能優(yōu)異的正滲透膜材料，研究正滲透膜材料孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制及演變機(jī)理、建立膜材料結(jié)構(gòu)與性能之間的“構(gòu)效關(guān)系”。近日，該團(tuán)隊(duì)在聚砜溶液中引發(fā)丙烯酸（AA）發(fā)生原位聚合反應(yīng)，生成制膜液，通過蒸汽-非溶劑誘導(dǎo)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，即存在致密的皮層和大孔結(jié)構(gòu)，以新的成膜技術(shù)制備的膜表面為蠕蟲狀結(jié)構(gòu)，且斷面為互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，膜強(qiáng)度高。PAA的羧基賦予膜更強(qiáng)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(tuán)與銅離子之間強(qiáng)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(tuán)的pH響應(yīng)性實(shí)現(xiàn)銅離子的釋放，可重復(fù)用于海水中重金屬離子的脫除。進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)基于蒸氣誘導(dǎo)相分離過程原位構(gòu)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(shí)，PNIPAm鏈段塌縮，孔徑增大，水通量隨之增大；降溫時(shí)，PNIPAm鏈段伸展，孔徑減小，水通量降低。環(huán)境響應(yīng)性支撐膜的設(shè)計(jì)，為智能型正滲透海水淡化膜的實(shí)現(xiàn)提供了有力支持。
進(jìn)一步地，海洋環(huán)境材料團(tuán)隊(duì)利用多巴胺的超強(qiáng)粘附性和二次反應(yīng)特性，對(duì)支撐膜進(jìn)行表面修飾，得到正滲透膜材料，并將其四邊膠封成器件，應(yīng)用于應(yīng)急海水淡化領(lǐng)域，其海水淡化效率為美國(guó) HTI（Hydration Technologies Inc）公司同類產(chǎn)品的2.5倍以上，能夠?yàn)樵诤Ｉ吓c野外等特殊場(chǎng)所執(zhí)行特殊任務(wù)的兵士、偶遇突發(fā)事件的艦艇與船舶的工作人員、面臨突發(fā)自然災(zāi)害與水路污染的民眾供給應(yīng)急營(yíng)養(yǎng)液，維持生命。
圖 正滲透膜材料及其在海水淡化中的應(yīng)用
?。ū砻媸聵I(yè)部 朱麗靜 宋海明 曾志翔）