過濾膜可以去除水中的鹽分和其他化學物質，可用于海水淡化生產數億噸的清潔水服務于工業、農業、能源生產和飲用水行業。聚酰胺膜已經在大規模脫鹽中使用了數十年。然而，由于膜厚度很小，內部可變因素較多，人們對膜的工作原理仍知之甚少。如何降低海水淡化成本來生產清潔水這個問題也困擾了人們數十年。
近日，美國德州大學奧斯汀分校、賓州州立大學、愛荷華州立大學以及杜邦水務解決方案聯合發表的一項研究顯示，過濾膜看起來很均勻，但不是在納米尺度上；膜的密度和質量分布不均會影響其性能；如果能夠在納米尺度上控制膜密度的均勻分布，可以大大提高膜的性能，生產更多的清潔水。該項研究發布在今年一月份的《Science》上。
我們都知道，基于膜蛋白的內部納米結構，生物膜可以在保持高選擇性的同時，實現極高的滲透性。在這里，研究團隊將這種設計理念應用于海水淡化膜，在工業規模的生產線中合成了一系列聚酰胺膜。這些膜的化學成分相似，但工藝條件各不相同，顯示出了不斷提高的透水性和活性層厚度以及恒定的氯化鈉選擇性。
研究人員通過透射電子顯微鏡，繪制了聚酰胺在納米級別的三維密度圖，并結合電子斷層成像技術和水滲透率預測模型，成功量化了聚酰胺膜內納米級別的密度波動對水傳輸的影響。他們發現這種密度波動對膜性能影響最大，如果能夠在膜材料和膜生產工藝上優化膜的合成使其密度分布均勻，那么將會在不影響膜的選擇性的條件下極大地提高膜的性能。
聚酰胺膜的3D模型顯示水避開了膜密度較大的位置且流動緩慢：膜上方的紅色表示加壓高鹽水；中間金黃色的粒狀海綿結構表示濾膜內不同的密度區域；銀色通道表明水的流動；底部藍色表示壓力較小側的低鹽水。圖片來源：GanapathysubramanianResearch Group / Iowa State University / Gregory Foss, Texas Advanced Computing Center.
以前人們認為膜越厚，產水量就越少。但是這項發現卻證實膜的厚度可能沒有那么大的影響。從某種意義上說，在最大限度提高產量的過程中，整個膜的密度要比厚度更一致。根據研究人員的說法，這一認識可以使膜效率提高30%到40%，從而可以用更少的能耗過濾更多的水。
參考資料
Levy, N. (2020, December 31). DesalinationBreakthrough Could Lead to Cheaper Water Filtration. Retrieved from UTEXAS:https://news.utexas.edu/2020/12/31/desalination-breakthrough-could-lead-to-cheaper-water-filtration/
Culp, T., Khara, B., Brickey, K.,Geitner, M., Zimudzi, T., Wilbur, J., . . . Gomez, E. (2021). Nanoscale controlof internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes. Science,371(6524), 72-75.
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