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學(xué)水處理的朋友在大學(xué)課本中都看過類似下面的圖片，它很形象地幫助我們記住了微濾、超濾、納濾和反滲透的區(qū)別。但還有很多知識信息是課本中沒有的，例如不同廠家生產(chǎn)出來的反滲透膜究竟有何區(qū)別，又或者現(xiàn)在反滲透都用到什么項目中。好消息是，最近有一個
新建的開源數(shù)據(jù)庫可以幫助大家了解更多的膜知識。
圖. 不同孔徑的膜的過濾效果
膜研究的瓶頸期
雖然學(xué)界沒有統(tǒng)一定論，但有一個觀點是認(rèn)為反滲透技術(shù)的工程化實踐研究是在20世紀(jì)50年代開始的。當(dāng)時肯尼迪政府為了解決美國干旱地區(qū)的水資源短缺和過度開采地下水問題，開始將目光投向海水淡化。1952年，美國國會通過《鹽水轉(zhuǎn)化法案（Saline Water Conversion Act）》，并于1953年開始資助脫鹽技術(shù)的研究。到了1955年，美國內(nèi)務(wù)部還設(shè)立了專門工作辦公室--Office of Saline Water（簡稱OSW），以便統(tǒng)籌各種海水淡化技術(shù)的研究。在1970年，OSW每年的運作經(jīng)費就已經(jīng)增至約2600萬美元。有文獻(xiàn)認(rèn)為1949年加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的Gerald Hassler等人最早啟動了膜脫鹽研究。1950年，他在UCLA的一份內(nèi)部報告中描述了“鹽排斥滲透膜”（Salt Repelling Osmotic Membrane）的概念，并在1956年8月的另一份校內(nèi)報告中首先創(chuàng)造了“Reverse Osmosis”一詞。Gerald Hassler的研究為后來Sydney Loeb和Srinivasa Sourirajan在反滲透方面的成就奠定了基礎(chǔ)。
經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，海水淡化反滲透技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。其中聚酰胺復(fù)合膜是最主流的膜材料之一，但由于它易結(jié)垢等局限性，過去十年反滲透膜材料的研究又重新興起。
圖. 1990-2020年間的反滲透海水淡化膜的論文數(shù)
業(yè)界一般認(rèn)為分離工藝最理想的膜材料需要具有高透水性和高水-鹽選擇性，后者尤為重要。但兩個參數(shù)不可兼得，研究人員需要進(jìn)行折衷選擇。這使得目前這兩者的比率限制在1-3L/㎡/h/bar之間。
圖. 根據(jù)發(fā)表論文年份統(tǒng)計的膜性能參數(shù)分布圖
上邊這張圖反映了一個問題：盡管學(xué)界一直在研究RO 膜，但它們的性能從 1990 年至今，其實改善幅度非常有限。其中很大程度是因為膜技術(shù)的創(chuàng)新和設(shè)計受限于實際的經(jīng)驗方法——由于分子水平的致密聚合物膜傳質(zhì)知識的缺失，亞納米孔膜（自由體積元素）的運作原理仍然是個黑匣子。要想取得性能上的進(jìn)一步突破，研究團隊認(rèn)為改進(jìn)目前膜的合成、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系是其中的關(guān)鍵。
圖. 眾多因素決定膜的性能
打破信息的隔閡墻
實際上，氣體分離、晶體學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和其他領(lǐng)域都已成功開發(fā)了各自領(lǐng)域的開放數(shù)據(jù)庫，但反滲透膜領(lǐng)域還沒有類似的數(shù)據(jù)庫。為了幫助膜圈工作者更好地獲得全局信息，來自美國、比利時、中國香港和以色列四間高校的團隊，聯(lián)合開發(fā)了名為Open Membrance Database（OMD）的數(shù)據(jù)庫，他們希望創(chuàng)建這平臺來收集、分享和傳播相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。讀者們可以通過以下網(wǎng)址訪問該數(shù)據(jù)庫：www.openmembranedatabase.org
據(jù)介紹，這將是一個不斷更新的數(shù)據(jù)庫，目前匯總了從自1975 年以來發(fā)表過的600多種海水淡化和凈水膜，信息源自同行評審的期刊(63%)、注冊專利(29%)和公開的商業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息(8%)。
這個1.0版的數(shù)據(jù)庫目前主要側(cè)重于反滲透膜的性能特征及其物理化學(xué)特性。相比在搜索引擎或者期刊數(shù)據(jù)庫搜索相關(guān)論文，這個數(shù)據(jù)庫有幾個優(yōu)勢，建庫團隊將這些優(yōu)勢總結(jié)成下表，在研究合成-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系方面，OMD 提供了幾個優(yōu)于當(dāng)前現(xiàn)狀的優(yōu)勢。
簡易使用指南
在這個數(shù)據(jù)庫里，開發(fā)者根據(jù)目前常見的膜結(jié)構(gòu)，將反滲透膜分成了以下四類，包括了非對稱膜、薄層納米復(fù)合膜(TFN)、薄層復(fù)合膜(TFC)和無機膜。數(shù)據(jù)庫會直接收集相關(guān)文獻(xiàn)的A/B系數(shù)值，并不會做任何更改或重新計數(shù)，以此保留相應(yīng)報告的知識完整性。數(shù)據(jù)庫能識別原始報告中是否提供了有關(guān)濃差極化(concentration polarization, CP)模量計算的詳細(xì)信息。
目前該數(shù)據(jù)庫是可以免費使用的，而且不需要注冊。他們鼓勵相關(guān)研究員上傳他們最新的數(shù)據(jù)結(jié)果，但不一定是最好的性能數(shù)據(jù)。當(dāng)然，目前只允許提交經(jīng)同行評審的期刊上發(fā)表的研究結(jié)果，而且需要有效的 DOI，以防錯誤、有偏見或誤導(dǎo)性的數(shù)據(jù)入庫。
這個網(wǎng)站有交互式圖表和搜索功能方便用戶探索數(shù)據(jù)，用戶可以對比各種膜性能的參數(shù)。下邊是一個演示截圖，圖標(biāo)的x軸固定為A系數(shù)，而y軸可以在不同性能之間切換，例如A/B、Rreal或Robs。軸的大小也可以在對數(shù)法線和線性之間進(jìn)行調(diào)整。
用戶還可以對選擇性層化學(xué)、膜結(jié)構(gòu)和報告年份進(jìn)行排序。大家能夠從這圖看出自1970年代以來膜研究的演變，而且能清楚看到大多數(shù)研究工作是如何向 TFC 聚酰胺膜集中的。
小結(jié)
在各行各業(yè)都談大數(shù)據(jù)的年代，這個聯(lián)合團隊搭建的開源膜信息數(shù)據(jù)庫，值得我們每位同行為他們手動點贊。它不僅為大家提供了一個透明的平臺，也給大家日后開發(fā)各種機器學(xué)習(xí)模型提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，反過來我們從機器學(xué)習(xí)模型得到的信息可能也會幫助反滲透膜性能取得顛覆性突破。這個數(shù)據(jù)庫為推進(jìn)海水淡化和水凈化膜的發(fā)展帶來極大的鼓舞和希望。
當(dāng)然，這僅僅是個開始。一個數(shù)據(jù)庫的框架設(shè)計得再好，沒有持續(xù)的數(shù)據(jù)輸入，也難有大作為。如果你也從事膜技術(shù)的研究，不妨嘗試訪這個OMD的網(wǎng)址，分享你的數(shù)據(jù)，為全球膜行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。如果你不想分享數(shù)據(jù)，或者暫時還沒有數(shù)據(jù)可以分享，這也是一個快速了解別人成果的信息平臺，或者能為你下一個研究項目提供意想不到的靈感。
如果你剛開始接觸膜技術(shù)，我們推薦大家報名參加荷蘭代爾夫特理工TU Delft的一個公開課 。這個為期7周的課程能幫助你系統(tǒng)性地了解納濾和反滲透膜的基礎(chǔ)知識，最新一期的開課時間為2022年2月16日。
