膜的复杂奥秘

大学公园,爸爸。-脱盐膜的作用是过滤咸水:将水通过膜，得到适合农业、能源生产甚至饮用的洁净水。这个过程看起来很简单，但却包含了困扰了科学家们几十年的复杂之处——直到现在。

来自宾夕法尼亚州立大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、爱荷华州立大学、陶氏化学公司和杜邦水解决方案的研究人员今天(12月31日)在《科学》杂志在线版上发表了一项关于了解膜是如何过滤水中矿物质的关键发现。这篇文章将刊登在明天(1月1日)出版的印刷版封面上。

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恩里克·戈麦斯

IMAGE: Penn State College of Engineering

领导这项研究的宾夕法尼亚州立大学化学工程和材料科学与工程教授恩里克·戈麦斯(Enrique Gomez)说:“尽管滤水膜已经使用多年，但我们对滤水膜的工作原理仍知之甚少。”“我们发现，如何在纳米尺度上控制膜本身的密度分布，对产水性能非常重要。”

由德克萨斯大学奥斯汀分校土木、建筑和环境工程系副教授Manish Kumar共同领导，该团队使用了多模态电子显微镜，它结合了原子尺度的详细成像技术，揭示了化学成分，以确定淡化膜的密度和质量不一致。研究人员绘制了聚合物薄膜的三维密度变化图，空间分辨率约为一纳米——这还不到DNA链直径的一半。戈麦斯说，这一技术进步是理解膜密度作用的关键。  

戈麦斯说:“你的眼睛就能看到咖啡过滤器中有些地方的密度是多少。”“在过滤膜中，它看起来很均匀，但不是在纳米尺度上，如何控制质量分布对水过滤性能非常重要。”

戈麦斯和库马尔说，这令人惊讶，因为以前人们认为膜越厚，产水量就越少。Filmtec现在是制造许多海水淡化产品的杜邦水解决方案公司(DuPont Water Solutions)的一部分，该公司与研究人员合作并资助了这个项目，因为他们内部的科学家发现，更厚的膜实际上被证明更具渗透性。

研究人员发现，厚度并不像避免高度密集的纳米区域或“死区”那么重要。Gomez表示:“从某种意义上说，在最大限度提高产量的过程中，整个膜的密度要比厚度更一致。

根据研究人员的说法，这一认识可以使膜效率提高30%到40%，从而用更少的能量过滤更多的水——这是对当前脱盐工艺的潜在的成本节约更新。

库马尔说:“反渗透膜被广泛用于净水，但我们对它们还有很多不了解的地方。”“我们不能真正说出水是如何通过它们的，所以过去40年的所有改进基本上都是在黑暗中进行的。”

反渗透膜的工作原理是在一侧施加压力。当水通过时，矿物质留在那里。研究人员说，虽然比非膜式脱盐过程效率更高，但这仍然需要大量的能量，但提高膜的效率可以减轻这种负担。

戈麦斯说:“淡水管理正成为全世界面临的一个重大挑战。”“短缺、干旱——随着日益严重的天气模式，预计这个问题将变得更加严重。拥有清洁的水资源至关重要，尤其是在资源匮乏的地区。”

该团队继续研究膜的结构，以及海水淡化过程中涉及的化学反应。他们还在研究如何为特定的材料开发最佳的膜，比如可以防止细菌生长形成的可持续且坚韧的膜。

“我们将继续推动我们的技术与更高性能的材料，以阐明有效过滤的关键因素，”戈麦斯说。

其他贡献者包括第一作者Tyler E. Culp, Kaitlyn P. brickkey, Michael Geitner和Andrew Zydney，他们都隶属于宾夕法尼亚州立大学化学工程系;爱荷华州立大学机械工程系的Biswajit Khara和Baskar Ganapathysubramanian;宾夕法尼亚州立大学材料研究所(MRI)的Tawanda J. Zimudzi;杰弗里·d·威尔伯(Jeffrey D. Wilbur)和史蒂夫·乔恩(Steve Jons)，都就职于杜邦水解决方案公司;以及陶氏化学公司的阿布舍克·罗伊和牟姆·保罗。戈麦斯还从事MRI研究。显微工作在MRI材料表征实验室的电子显微镜下进行。杜邦公司和美国国家科学基金会资助了这项研究。