“我国科学家发明超快海水淡化膜”

近日，“我国科学家发明超快海水淡化膜”这一话题引发关注，这项研究由天津大学和南开大学师生共同组成的科研团队完成，相关成果已发表在近期的《自然·可持续发展》杂志上。据了解，这项新成果所使用的所有材料和技术全部由团队自主研发，具有完全独立自主知识产权；其实验室中所体现的优越性能，也被认为具有良好的应用前景。那么，这种海水淡化膜是一种什么材料？如何做到快速淡化海水？淡化海水可以大量应用到生活中吗？

热法、膜法、热膜耦合，都是什么？

近日，天津大学化工学院2018级博士生王梅迪刚刚论文答辩结束，本可以长出一口气放松一下的他，工作却还远没有停止。作为项目的主要执行人，在实验室烧杯、烘箱、压缩泵的陪伴下，一次次做膜、测膜成为他的日常。王梅迪说：“2021年的春节，无论怎么说这个时间都让我很难忘，因为那是我第一次留校没有回家过年。当时膜有性能了之后，我非常激动，每天可以保持不间断地做膜和测膜，干劲十足，跟我的一些师弟师妹们一起合作，这个实验推进的进度非常快。”

海水淡化技术流程示意图（姜忠义供图）

王梅迪口中的“膜”是一种化学材料，有了它的帮助，让海水淡化得以实现。这次天津大学和南开大学共同组成的科研团队开发出的“超快海水淡化膜”，不仅能实现高通水量，还具有突出的抗污染能力，一定程度克服了传统反渗透膜寿命较低的问题。团队指导教师、天津大学化工学院教授姜忠义表示，团队这次使用的新技术，采用了热膜耦合的方法。
姜忠义介绍：“海水淡化技术开发已经经过好几十年的历程了，开始的时候大家用热的方法，但是能耗相对高一些，因为水要汽化之后再冷凝，消耗大量的热量。随着膜技术的发展，开始出现了膜法，大家比较熟悉的叫反渗透RO膜。目前为止新建的海水淡化工程里绝大多数都是膜法，至少80%以上，甚至更高。后来在实验室探索能不能把热法、膜法耦合起来，叫热膜耦合的方法。我们采取的方法叫渗透蒸发或者渗透汽化。”

“马路”横平竖直，水分子才“跑得快”

据了解，目前在世界范围内的海水淡化技术超过二十种，在沿海而缺水的许多国际城市，淡化海水甚至成为城市主要供水。我国沿海的许多城市，淡化海水也多有使用。在人均水资源量仅为全国平均水平9.5％的山东青岛，淡化海水约占每天自来水供水量的十分之一。青岛某海水淡化公司生产运营部负责人李珂表示，他们使用的方法，就是姜忠义口中的膜法，“利用反渗透膜将海水中的盐分（和杂质等）去除，得到淡水。不需要额外使用热能，直接利用电能，另外它项目建设更快、占地面积更小，制水过程是液体的转换，效率比较高一些，相应整体的综合能耗会低一些。”

全国海水淡化工程规模增长图（姜忠义供图）

姜忠义表示，他们的项目不仅集热法、膜法之所长，最大的创新还在于材料的选用。他说：“过去是传统的高分子材料优点是廉价易得，但是缺点是脱盐性能比较低。它是无序堆积的，高分子网络是随机交联结构，无序性比较高。就像马路一样，横平竖直，车开起来就比较快；马路是弯弯曲曲的、无序的，水分子在里面运动阻力肯定比较大。大家肯定希望膜孔通道是规整有序的，我们就借助一个新的材料叫共价有机框架材料，它正好符合有序度高，也是一个有机的材料。”

沙塔蠕虫“帮助”攻克难关？

南开大学化学院研究员张振杰表示，共价有机框架材料2005年就由加州大学伯克利分校奥马尔·亚基教授发现。多年来，其独特性能一直被业界认为可用于海水淡化领域，然而却一直没有攻克其成膜性难关，所以在该领域的应用还是空白，而这也成为团队的最大挑战。他说：“这个材料一般是通过溶剂热的方法来合成的，材料都是以粉末、微晶状态存在，所以说它没有办法直接成膜。我们就把微晶粉末通过超声分散剥离成纳米胶带和纳米片，把一些小的膜碎片，通过静电相互作用，最后才构成一个无缺陷的膜。”

四种共价有机框架材料相关数据图（张振杰供图）

在仿生膜领域耕耘多年的姜忠义表示，在自然界里有一种叫沙塔蠕虫的生物，在筑巢过程中会利用触手抓住沙粒或贝壳碎片，在上面涂抹自己分泌的“胶水”，再把它们粘在巢上。团队使用的这种方法，恰好符合其仿生学特性。姜忠义说：“沙塔蠕虫把贝壳的片用自己的分泌唾液粘上来筑巢，我们想能不能把纳米片找东西给粘上，后来我们用了纳米带，像胶带一样，是南开大学教给我们做的，我们用纳米带粘纳米片，粘完之后，片比较大了，再做出膜质量就高了，比现在的高分子材料的性能要提升好多倍，甚至有时候能10倍以上，这一点我们可以讲在国际上走在前面。”

科研新成果，商用还有多远？

全球可持续发展正在面临水资源短缺的挑战，数十亿人无法获取清洁的水，如果能把占地球总水量96%以上的海水大量转化为淡水，无疑是一个很好的解决方案。姜忠义表示，淡化海水和普通水没有实质区别，并且在技术上已经可以做到将淡化海水应用到日常生活中，“淡化海水用作饮用水没有问题，但目前来说，大家还是偏向用地下水、雨水，天然的水如果能满足饮用，淡化海水就先满足工业。现在实际上不是质量问题，而是价格。现在的淡化海水大概4元一吨，咱们现在喝的自来水2元一吨，两个质量还差不多，大家肯定选2元一吨的。”

山东青岛某海水淡化厂

虽然成本高一些，但在一些地区淡化海水已被逐步推广到市政供水使用，成为特殊情况下的战略储备。在极度缺水的海岛城市浙江玉环，当地某水务集团总经理高全煜表示，他们在海水淡化厂附近区域全部铺设了双管网，淡化海水已成为普通淡水之外重要的后备力量。高全煜说：“长距离境外引水大概要经过50多公里的引水管线，万一出现问题，我们水厂马上可以把产能扩大起来，满足基本用水需求。我们当时在建设时期就为之后预留了土地、空间。水质达到饮用水所有标准，现在还加了一道工艺，叫做后矿化工艺，增加了一些微量元素，更符合自然水的特性，更符合人体的要求。”

浙江玉环的亚海水淡化项目

高全煜介绍，未来淡化海水的应用前景广阔，不管是绿化清洁、工业制造还是生活用水都可以使用，但前提是进一步将使用成本降低，同时解决大量转化的质量和效率问题。而这，恰好就是天津大学与南开大学新成果的优势所在。张振杰说，目前，团队已经在开展进一步研究，争取让科研成果尽早服务社会。“我们课题组在研究如何把材料成本降低下来，目前我们已经可以降到一毛钱一克，成本已经和一些商业的多孔材料匹配了。另外就是怎么能实现规模化生产，姜忠义教授他们团队正在进行，理论上是可以非常容易进行放大的。据我所知，包括科技部的专家，还有一些公司都很感兴趣，正在推进下一步如何把它真正用起来。”

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