控制淡化膜的纳米结构是清洁水的关键

聚合物脱盐膜的3D模型显示水流（银通道从上到下流动）避免了膜中的密集斑点并减缓了流动。

脱盐膜可作为盐水的过滤器：将水推过膜，获得适用于农业，能源生产甚至饮用的清洁水。这个过程看起来很简单，但是它包含了使科学家困惑了数十年的复杂复杂性-直到现在。

来自宾夕法尼亚州立大学，得克萨斯大学奥斯汀分校，爱荷华州立大学，陶氏化学公司和杜邦水务公司的研究人员今天（12月31日）在线在科学杂志上发表了一项重要的发现，以了解膜如何从水中过滤矿物质。该文章将在明天（1月1日）发行的印刷版封面上刊登。

宾夕法尼亚州立大学化学工程与材料科学与工程学教授恩里克·戈麦斯（Enrique Gomez）说：“尽管使用了许多年，但我们对水过滤膜的工作原理仍然知之甚少。”“我们发现，如何在纳米尺度上控制膜本身的密度分布对于产水性能确实非常重要。”

该团队由UT奥斯汀分校土木，建筑与环境工程学系副教授Manish Kumar领导，该团队使用了多峰电子显微镜技术，该技术将原子级详细成像与揭示化学成分的技术结合在一起，以确定脱盐膜在密度和质量上不一致。研究人员绘制了三维尺寸的聚合物薄膜密度变化图，其空间分辨率约为1纳米-小于DNA链直径的一半。戈麦斯认为，这项技术进步是理解膜中密度作用的关键。

戈麦斯说：“您可以亲眼看到咖啡过滤器中某些地方或多或少的密度。”“在滤膜中，它看起来很均匀，但不是纳米级，而如何控制质量分布对于水过滤性能而言确实很重要。”

戈麦斯和库玛说，这令人惊讶，因为以前认为膜越厚，产水量就越少。Filmtec现在是制造许多脱盐产品的杜邦水务解决方案的一部分，与研究人员合作并资助了该项目，因为他们的内部科学家发现更厚的膜实际上被证明具有更高的渗透性。

研究人员发现，厚度与避免高密度纳米级区域或“死区”无关紧要。从某种意义上说，要使水的产量最大化，整个膜上更一致的密度比厚度更重要。

研究人员表示，这种理解可以使膜效率提高30％到40％，从而可以以更少的能量过滤更多的水-这可能是当前脱盐工艺节省成本的更新。

Kumar说：“反渗透膜被广泛用于清洁水，但我们对它们的了解还很多。”“我们无法真正说出水是如何流过它们的，因此过去40年中的所有改进基本上都是在黑暗中完成的。”

反渗透膜通过在一侧施加压力来工作。矿物质留在那里，而水却流过。研究人员说，尽管比非膜脱盐工艺更有效，但这仍然需要大量能量，但是提高膜的效率可以减轻这种负担。

戈麦斯说：“淡水管理正在成为世界范围内的关键挑战。”“干旱，干旱–随着恶劣天气模式的加剧，预计这个问题将变得更加严重。拥有干净的水至关重要，尤其是在资源贫乏地区。”

该小组继续研究膜的结构以及脱盐过程中涉及的化学反应。他们还在研究如何针对特定材料开发最佳膜，例如可持续而坚韧的膜，以防止细菌生长。

戈麦斯说：“我们正在继续用更多高性能材料推动技术发展，以期阐明有效过滤的关键因素。”

有关此研究的更多信息：

脱盐突破可最大化流量以实现更便宜的水过滤纳米级的脱盐膜控制可能会导致更便宜的水过滤

参考：Tyler E. Culp，Biswajit Khara，Kaitlyn P. Brickey，Michael Geitner，Tawanda J.Zimudzi，Jeffrey D. Wilbur，Steven D.Jons，Abhishek Roy，Mou Paul撰写的“内部不均匀性的纳米尺度控制增强了脱盐膜中的水传输，Baskar Ganapathysubramanian，Andrew L.Zydney，Manish Kumar和Enrique D.Gomez，2020年12月31日，科学。
10.1126 / science.abb8518

其他作者包括第一作者Tyler E. Culp，Kaitlyn P. Brickey，Michael Geitner和Andrew Zydney，他们都与宾州州立化学工程系有联系。 Biswajit Khara和Baskar Ganapathysubramanian，都在爱荷华州立大学机械工程系任教；宾夕法尼亚州立大学材料研究所（MRI）的Tawanda J. Zimudzi；杜邦水务解决方案公司的Jeffrey D. Wilbur和Steve Jons；以及陶氏化学公司的Abhishek Roy和Mou Paul。戈麦斯还隶属于MRI。显微工作是在MRI的材料表征实验室中的电子显微镜上进行的。杜邦和国家科学基金会资助了这项研究。