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2021年第一篇《Science》封面文章诞生!

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全球近80%的淡水用于农业、畜牧业和能源应用,这对发达国家和发展中国家的现有水源,都造成了巨大的压力。膜过滤、蒸馏、离子交换等技术被广泛用于净水;然而,从水中除去溶解的溶质,特别是盐,所需的能量仍然很高。

生物膜,依靠明确的内部纳米结构的膜蛋白的形式,可以实现显著的高渗透性,同时保持理想的选择性。近日,来自美国得克萨斯大学的Manish Kumar &宾夕法尼亚州立大学的Enrique D. Gomez等研究者,将生物膜的设计策略应用到淡化膜上。相关论文以题为“Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes”发表在顶级期刊Science上。与此同时,该论文登上了2021年第一期《Science》期刊的封面。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6524/72

2021年第一篇《Science》封面文章诞生

反渗透(RO)占全球海水淡化能力的66%,每天生产近210亿加仑的水。它在从废水和其他废水流中,回收和回收淡水供人类和工业使用方面,也发挥着越来越重要的作用。近年来,在反渗透膜合成方面,通过控制全芳香族聚酰胺(PA)活性层的内部形貌、厚度和进料表面积,取得了重要进展,获得了制造高渗透性海水淡化膜的方法。然而,目前尚不清楚,所产生的纳米级PA形态如何与在此类膜中观察到的性能相关联。

在此,研究者描述了一种方法,来量化三维(3D)纳米尺度的聚合物质量变化对一系列四个反渗透膜(PA1到PA4)的PA活性层内的水传输的影响。一系列聚酰胺脱盐膜是在工业规模的生产线上合成的,它们的加工条件不同,但化学成分相同,它们的透水性和活性层厚度增加,但氯化钠选择性不变。透射电子显微镜测量,使得研究者能够确定纳米级三维聚酰胺密度图,并预测零可调参数的水渗透性。研究表明,密度波动对水的输送是有害的,在不牺牲盐选择性的情况下,这使得,对纳米尺度聚酰胺不均匀性的系统的控制成为最大化水的渗透性的关键途径。

最具渗透性的膜(PA4)平均密度最低,密度分布最窄,这表明高渗透性的膜将抑制水渗透性的质量波动降到最低,从而在保持选择性的同时使整体渗透性最大化。这与最大化气体分离膜的渗透性和选择性的策略是一致的。将密度值限制在溶质选择性折衷的边界以下的狭窄分布,可以为理想的选择性提供可能的最高水渗透性。

2021年第一篇《Science》封面文章诞生

图1 通过能量过滤TEM和电子断层扫描相结合量化PA RO膜的三维纳米尺度不均匀性。

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图2用能量过滤的透射电子显微镜测定PA膜中水的平均密度、自由体积和扩散系数。

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图3 通过能量过滤TEM和电子层析成像得到的三维模型计算水的输运。

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图4 纳米尺度水传输计算预测零可调参数水的渗透性,以及膜性能与最先进膜的比较。

综上,此文中量化了膜的结构-性质关系,并得到超过文献报道的脱盐性能的上限,并进一步研究了水扩散机制和预测运输速率。研究证明,结合能量过滤TEM和电子断层扫描-即,多模态电子显微镜是创建高性能RO膜形态和水传输之间预测相关性的关键工具。这些关联可以扩展到其他分子分离和聚合系统,以改进各种应用的设计策略,包括气体和碳氢化合物分离、碳捕获、蓝色能源生产和海水淡化。(文:水生)

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