「580997」仿生粘合有机框架膜 有望实现高效低成本海水淡化

99.9%

用这种办法制备的COF膜用于浸透蒸腾脱盐，处理分量百分比为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%。一起，COF膜表现出杰出的抗污染才能和长时刻安稳性，盐浓度适用范围广，展现出很强的适用性。

咱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%。因而海水淡化是处理地球淡水资源缺少的有效途径之一。

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“共价有机结构”(COF)的新式膜资料，运用于浸透蒸腾脱盐技能，可快速淡化海水，并且该办法全体归纳能耗比现在已有的海水淡化技能更低。相关研讨宣布在世界期刊《天然·可持续开展》上。

浸透蒸腾成海水淡化新式技能

现有的海水淡化技能依据技能原理大致可分为热法(或称蒸馏法、蒸腾法)和膜法两大类。

“热法脱盐的中心在于运用热能驱动盐水相变(从液态水变为水蒸气)，经过相变进程完成挥发性物质水和非挥发性物质盐的别离。”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开展时刻最长，运用最为广泛的两类热法脱盐技能，这两种技能的装机容量占全球海水淡化总装机容量的25%。

热法脱盐尽管脱盐率高达99.9%，处理量大，但需要把液态水变为水蒸气，因而能耗较高，产水全体本钱大约为6.5—17.7元/吨。因而热法脱盐在热量足够的中东地区等运用更为广泛。

膜法脱盐包含反浸透、正浸透、纳滤等，因为无相变进程，所以一般无需提供水的汽化潜热。

“比较于热法脱盐，膜法脱盐在能耗上表现出明显优势。反浸透技能是最为老练的膜法脱盐技能。”天津大学化工学院研讨员潘福生解说，这种技能运用半透膜完成盐离子和水分子别离，经过精细构筑膜孔道尺度及电荷性质，使得膜只允许水分子经过而截留盐离子。当在盐水侧施加一个大于盐水浸透压的压力，即可驱动水分子由盐水侧向淡水侧分散，而盐离子无法经过，即可完成盐水别离。

因为反浸透技能不需要相变，不需要耗费潜热，假如水回收率到达50%的时分，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，其产水本钱为4.7—7.4元/立方米。

现在膜法反浸透技能已成为全球装机容量最大(约占69%)、运用最为广泛的脱盐技能。

“也因为如此，膜资料被称为海水淡化技能的‘芯片’。”潘福生介绍，国内相关研讨起步较晚，海水淡化反浸透膜运用的高端聚酰胺膜资料首要依靠进口，中心资料、工艺、配备的国产化依旧是膜技能范畴急需处理的问题。

近年来兴起了一类新的脱盐技能，即热—膜耦合脱盐技能，如浸透蒸腾。该类技能既具有热法的相变进程，也具有膜法挑选浸透特性，因而在能耗和脱盐功能上均表现出共同优势。

“浸透蒸腾脱盐的原理是海水在膜两边蒸汽压差的推进下，水分子在膜中经过液体活动，发生相变，终究以气态方式透过膜，然后冷凝搜集。”潘福生介绍，不同于膜蒸馏，浸透蒸腾膜为亲水的细密资料，孔径一般小于1纳米，膜自身具有隔绝盐离子的才能，起到首要别离效果，一起盐无法发生相变，然后被进一步截留。一起，很多的纳米膜孔道作为毛细管可提供丰厚的蒸腾面积，其气—液界面的存在也能够让水轻松经过。

浸透蒸腾具有膜法脱盐低能耗的优势，其能耗预算约为5—7kWh/m3，电能耗费低于反浸透技能，因而其产水本钱估计为4.5—12.9元/立方米，有望成为最为经济的脱盐技能之一。

仿生技能处理成膜性差难题

现在，浸透蒸腾技能用于脱盐尚处于开始探究阶段，其中心技能便是膜资料的挑选和制备。近年来，COF作为一种高度规整有序的结构结构高分子，有望成为新一代的脱盐膜资料。

“COF经过可逆共价反应将结构单元定向拼装构成结构孔结构，完成了膜内传质通道从无序到有序的改变。”南开大学化学学院研讨员张振杰解说，二维COF具有原子级厚度，可进行模块化拼装，把无序弯曲的络孔道变为有序的结构孔道，就像把弯弯曲曲的羊肠小路变为宽广垂直的大马路，然后削减水经过的阻力并进步筛分才能，终究取得高通量和高脱盐率。

不过作为一种晶态资料，COF成膜性较差，制备超薄的COF膜是极大的应战。

“COF膜内部是晶体的拼接，晶体与晶体之间的鸿沟很软弱，就像在同一块当地铺地砖相同，地砖块数越多，发生的缝隙就越多，简略有缺点。”姜忠义介绍，为了添补膜内的鸿沟缺点，团队学习沙堡蠕虫筑巢进程和巢穴结构，提出了处理方案。沙堡蠕虫是一种生活在海岸边的软体动物，在筑巢时会先搜集邻近贝壳碎片、沙砾等物质作为筑巢的原资料，而其所排泄的胶状黏液能够将碎片粘合在一起，构成完好的居巢。

团队规划制备了具有粘合效果的纳米胶带，用来粘合纳米片边缝，把单片的纳米片拼接起来，然后使单片纳米片的面积增大，构成完好而结实的结构，膜的全体质量也更高。

“不过在纳米胶带资料挑选上咱们遇到了难题。并不是每种资料都能制备成纳米胶带，这和资料的描摹、化学组成有关。”张振杰说：“经过对上千种COF资料进行挑选并进行理性规划，咱们终究从中找到了满意需求的超微孔纳米胶带资料。”

胶带最首要的特性是要有“粘性”，纳米胶带的粘性是经过静电相互效果完成的。“咱们在规划的时分把纳米片规划成带负电，纳米胶带带正电。”张振杰介绍，制备带电COF资料也是一个应战。咱们故意规划了含有吡啶官能团的构筑单体，吡啶官能团十分简略与酸结合进行质子化，使COF资料带正电。因而经过简略的酸处理，就能够得到带正电的纳米胶带，并且质子化程度、强度都十分高。纳米片和纳米胶带正负电中和，然后得到中性、安稳的COF膜。

用这种办法制备的COF膜用于浸透蒸腾脱盐，处理分量百分比为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%。一起，COF膜表现出杰出的抗污染才能和长时刻安稳性，盐浓度适用范围广，展现出很强的适用性。

本钱下降到每克1元以下

将COF膜用于浸透蒸腾海水淡化具有宽广的运用远景。

“COF膜资料结构规整有序、安稳性强，归于海水淡化的新一代膜资料。一起新式热—膜耦合脱盐法是极具潜力的新一代脱盐技能。”姜忠义表明，这种强强联合一方面可为海水淡化范畴带来新的血液，推进现有技能的开展，进步功能，下降能耗；另一方面有望打破现在反浸透海水淡化国外技能独占的位置，破除职业与技能壁垒，进一步进步我国海水淡化自主技能的世界竞争力。

此外，COF膜潜在的运用范畴也十分宽广。因为COF膜的强筛分功能和有机资料特性，还有望在清洁动力出产、二氧化碳减排等范畴得到运用。

“团队致力于探究宏量、绿色制备COF的工艺，现在也取得了一些发展。”张振杰介绍，无需参加有毒的低沸点有机溶剂，只选用熔融聚合工艺就能够制备COF。运用这种工艺无需处理危废，下降了本钱，一起产率高，现在现已完成了千克级的绿色组成，本钱下降到每克1元以下，挨近工业化出产本钱要求。

不过，现在COF膜的规模化制备、海水淡化集成工艺还需要进一步探究。团队等待未来能够真实完成COF膜的工业化出产，推进海水淡化技能上一个新的台阶。