首页>>国际

仿生粘合有机框架膜 有望实现高效低成本海水淡化

2022-06-29 15:27:21 | 来源:076新闻网
小字号

微信附近的人快餐仿生粘合有机框架膜 有望实现高效低成本海水淡化

  99.9%   用这类方式制备的COF膜用于渗入蒸发脱盐,处置重量百分比为3.5的氯化(hua)钠水溶液,水通量可(ke)达每小时267公斤(jin)/平方米,为市(shi)道上传统高份(fen)子膜4—10倍(bei),脱盐率达99.9%。同时,COF膜表示出(chu)杰出的抗污染能力和持久不变性,盐浓度合用规模广,揭示出很强的合(he)用性。   我们糊口在(zai)一颗蓝色的星球上,海水约占地球概况(kuang)积的71%,而(er)陆地淡水资本只(zhi)占地(di)球上水体(ti)总(zong)量的2.53%。是以海水(shui)淡化是解(jie)决地球淡(dan)水资本(ben)缺少的有(you)用路子之一。   日前,天津(jin)年夜学(xue)化工学院姜忠义、潘福(fu)生课(ke)题组和南开年夜学张(zhang)振杰课题组研制出一种名为“共价有机框架”(COF)的(de)新型膜材料,利用于渗入蒸发脱(tuo)盐手(shou)艺,可快速淡化海水,并(bing)且该方式整体综合能耗比今朝已有的海水淡化手艺更低。相(xiang)干研究颁发在国际期刊《天然(ran)·可延续成长》上。   渗入蒸发(fa)成海水(shui)淡化新兴手艺   现有的海水淡化手艺(yi)按照手(shou)艺道理年夜(ye)致可分为热法(或称蒸馏法、蒸发法)和膜法两年夜类。   “热法脱盐(yan)的焦点在(zai)于操纵(zong)热(re)能驱动(dong)盐水相变(从液态水变成水蒸气),经由(you)过程相变进程实现挥发性(xing)物资水和非挥发(fa)性物资盐的分手。”天津年夜学化工学(xue)院传授姜忠义介绍,多级闪蒸和多效精馏是成长时候最长(chang),利用(yong)最为普遍的两类热法脱(tuo)盐手艺(yi),这两种手艺的装机容量占(zhan)全(quan)球海水淡化总装机容量的(de)25%。   热法脱盐固然脱盐率高达99.9%,处置量年夜,但需要(yao)把液态水变成水蒸气,是以能耗(hao)较高,产水整(zheng)体本(ben)钱年夜约为(wei)6.5—17.7元/吨。是(shi)以热法脱盐在(zai)热量足够的中东地域等利用更加普遍。   膜法(fa)脱盐包罗反渗入、正渗入、纳滤等,由于无相变进程,所以凡是无需供给水的(de)汽化潜(qian)热。   “比拟于热法脱盐,膜法(fa)脱盐(yan)在(zai)能耗上表示出显著(zhu)优势。反(fan)渗入手(shou)艺是最为成熟的膜法脱盐手艺(yi)。”天(tian)津年夜学化工学院研究员潘福生注释,这类手艺操纵半透膜实现盐离子(zi)和水份子分手,经由过程周详(xiang)修建膜孔道尺寸及电荷性质,使得(de)膜只答(da)应水份(fen)子经由过程而截留盐离子。当在盐水侧施加一个年夜(ye)于盐水渗入压的压力,便可驱动水(shui)份子由盐水侧(ce)向淡水侧分(fen)散,而(er)盐离子没法经由过程,便可实现盐水份离(li)。   因为反渗入手艺(yi)不需要相变,不需要耗损潜热,假如水收受接管率到达50%的(de)时辰,其热力学极限(xian)能耗为1.06千瓦时(shi)/每(mei)立方(fang)米(kWh/m3),远低于热法脱盐的13kWh/m3,其产水(shui)本钱为4.7—7.4元/立方米。   今朝膜法反渗入手(shou)艺已(yi)成为全球(qiu)装机容量最年夜(约占69%)、利用最为普遍(bian)的脱盐手艺。   “也由于如斯,膜材料被称为海水(shui)淡化手艺的‘芯片’。”潘福生介绍,国内(nei)相干研究起步较晚,海水淡化反渗入膜利用的高端聚酰胺膜材料首要依靠进口,焦点(dian)材料、工艺、设备的国产化照旧是膜手艺范(fan)畴急需解决的问(wen)题。   最近几年来鼓起了一(yi)类新(xin)的脱盐手艺(yi),即热—膜(mo)耦合脱盐手艺(yi),如渗入蒸发。该类手艺(yi)既(ji)具有热法的相(xiang)变进程,也(ye)具有膜法选择渗入特征(zheng),是以在能耗和脱盐机能(neng)上均表示出怪异优势。   “渗入蒸发(fa)脱盐的道理是海水在膜两侧蒸汽压差的鞭策下,水份子在(zai)膜中颠末液体活动(dong),产生相变,终究以气态情势透过膜,尔后冷凝搜集。”潘福生介绍,分歧于(yu)膜蒸馏,渗入蒸发膜为(wei)亲水的致(zhi)密材料,孔径凡(fan)是小于1纳米,膜(mo)自己具有阻隔盐离子的能力,起到首要分手感(gan)化(hua),同时盐没法产生相变,从而被进一步截(jie)留。同(tong)时,年夜量的纳米膜孔道作为毛细管可供给丰硕的蒸(zheng)发面积,其气—液(ye)界(jie)面的存在也能够让水轻松经由过(guo)程。   渗入蒸发具有膜法脱盐低能耗的(de)优势,其能耗估算约为5—7kWh/m3,电能耗损低于反渗入手艺(yi),是以其产水本(ben)钱估计为4.5—12.9元/立方米,有望成为最为经济的脱盐手艺(yi)之一(yi)。   仿生(sheng)手艺解决(jue)成膜(mo)性差困难   今朝,渗入蒸发手艺用于脱盐尚处于初步摸(mo)索阶段,其焦点手艺就是膜材料的选择和制备。最近几年来,COF作为一种高度规整有序的框架布局高份子,有(you)望(wang)成(cheng)为(wei)新一代的脱盐膜材料。   “COF经由过程可逆共价反映将布局单位定(ding)向组装构成框架孔布局,实现了膜内传质通道从无序到有序的改变。”南开年(nian)夜学化学学院研究员张振杰注释,二维COF具有原子级厚度,可进行模(mo)块化组(zu)装,把无序盘曲的收集孔道变成有序(xu)的框架孔道(dao),就像把曲曲折折的羊(yang)肠巷(xiang)子变成宽广笔挺的年夜马路,从而(er)削减水经由(you)过程的阻力(li)并晋升筛分(fen)能力,终究(jiu)取得高通量和高(gao)脱(tuo)盐(yan)率。   不外作为一种晶态材料,COF成膜性较差,制备超薄的COF膜是极年夜的(de)挑战。   “COF膜内部是晶体的拼(pin)接,晶体与晶体(ti)之间的鸿沟很懦弱,就(jiu)像在统一块处所铺地砖一样,地砖(zhuan)块数越多,发生的裂(lie)缝就越多,轻易出缺陷。”姜忠义介绍,为(wei)了弥补膜内的鸿(hong)沟缺(que)点,团队鉴戒沙堡蠕虫筑巢进程和巢穴布局,提出领会(hui)决方案。沙堡蠕虫是一种糊口在海岸边的软(ruan)体动物,在筑巢时会先搜集四周贝壳碎片、沙砾等物资作(zuo)为筑巢的原材料,而其所排泄的胶状粘液可以将(jiang)碎片粘合在一路,构(gou)成完全(quan)的居巢(chao)。   团队(dui)设计制备了具有(you)粘合感化的纳米胶带,用来粘合纳米片边缝(feng),把单片的纳米片拼接起来,从而使单片纳米片的面积增年夜,构成完全而(er)安稳的布局,膜的整体质量也(ye)更(geng)高。   “不外在纳米胶带材料选择上我们碰到了困难(nan)。并(bing)非(fei)每种材料都能制备成纳(na)米胶(jiao)带,这和材料(liao)的描摹、化学构成有关。”张振杰说:“经由过程对上千种COF材料进行挑选并进行理性设(she)计,我们终究(jiu)从中找到了知足需求的超微孔纳米胶带(dai)材料。”   胶带(dai)最首要的特征是(shi)要有(you)“粘(zhan)性(xing)”,纳米胶带的粘性是经(jing)由过程静电彼此(ci)感化(hua)实现的。“我(wo)们在设计的时辰把纳米片设计成带负(fu)电,纳米胶带带正电。”张振杰介绍,制备带电COF材料也是一个挑战。我(wo)们(men)决心设计了含有吡啶官能(neng)团的(de)修(xiu)建单体,吡啶官(guan)能团很是轻易与酸连系(xi)进行质子化,使COF材料带正电。是以(yi)经由过程简单的酸处置,就能够获得带正(zheng)电的纳米胶带,并且质子化水平、强度都很是(shi)高。纳米片和纳米胶带正负电中和,从而获得中性、不变的COF膜(mo)。   用这类方式制备的COF膜用(yong)于渗入蒸发脱盐,处置重量百分比(bi)为3.5的氯化钠水溶液,水(shui)通量可达每小时(shi)267公斤/平方米(mi),为市道上传统高份(fen)子膜4—10倍,脱盐率达(da)99.9%。同时,COF膜(mo)表示出杰出的抗污染能力和持(chi)久不变(bian)性(xing),盐浓度合用规模广(guang),揭示出(chu)很强的合用性。   本钱下降到每(mei)克1元以下   将COF膜用于渗(shen)入蒸发海水淡化具有广漠的利用前景。   “COF膜材料布局规整有序、不变性强,属于海水淡化的新一代膜材料。同时新兴热—膜耦合脱盐法是极具潜力的(de)新一代脱盐手艺。”姜忠义暗示,这(zhe)类强强结合一方面可为海水淡化范畴带来新的血液(ye),鞭策现有手艺的成长,提高机能,下(xia)降能耗;另外一方面有望打破今朝反渗入海水淡化国外手艺(yi)垄断的地位,废除行业(ye)与手(shou)艺壁(bi)垒,进一(yi)步晋升我国海水淡化自立手艺的(de)国际竞(jing)争力。   另外,COF膜潜(qian)伏的利用范畴也很是广漠。因为COF膜的强筛(shai)分(fen)机能和有机材料特征(zheng),还有望在洁净能源出产、二氧化碳减排等范畴获得利(li)用。   “团队致力于摸索宏量、绿色制备COF的工(gong)艺,此刻也获(huo)得了一些进展。”张振杰介绍,无需插手(shou)有毒的低沸点有机溶剂,只采取熔融聚合工艺就能够制备COF。利用这(zhe)类工艺无需处置危废,下降了本钱(qian),同时产率高,今朝已实现了公斤级的绿色合成,本钱下降到每克1元以下,接近工业化出(chu)产本(ben)钱要(yao)求。   不(bu)外,今(jin)朝COF膜的范围化制备、海水淡化集成工艺(yi)还需要进一步摸(mo)索。团队等候将来可以真正实现COF膜的工业化出产,鞭策海水淡化(hua)手艺上一个新的(de)台阶。 【编(bian)纂:邵婉云】


(责编:admin)

分享让更多人看到

 Request Error!