納米尺度的發現可以降低海水淡化的成本

些乾旱的中東國家已經依靠從海水中除去鹽來解決缺水的問題。許多其他國家在應對日益增長的人口和氣候變化時可能也不得不轉向考慮海水淡化。但這項技術實施起來仍然昂貴，且需要大量能源的消耗。

今天最重要的海水淡化方法 -- 反滲透 -- 使用膜來阻止鹽和雜質。過濾膜可以去除水中的鹽分和其他化學物質，可用於海水淡化生產數億噸的清潔水服務於工業、農業、能源生產和飲用水行業。聚醯胺膜已經在大規模脫鹽中使用了數十年。然而，由於膜厚度很小，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。

為了幫助設計改進膜，一組研究人員利用電子顯微鏡和三維計算模型，在納米尺度上了解水是如何流過屏障的。結果表明，均勻的膜密度降低到納米級，而不是膜的厚度，是改善水流的關鍵。來自德克薩斯大學、賓州州立大學和杜邦大學的研究小組近日在《科學》雜誌上報告說，改善均勻性可以將效率提高30%以上。

研究小組使用了杜邦水溶液公司（DuPont Water Solutions）生產的普通反滲透聚合物膜。把這些固體膜想像成聚合物線的纏結墊。水流過聚合物串之間形成的微小的埃級空隙。膜製造商改變這些聚合物膜的內部結構和厚度以增加水的流量。但很難精確地指出哪個參數會影響性能。例如，杜邦公司的研究人員最近發現，讓公司的一些膜變厚，會增加流過的水量。

為了弄清這個悖論，德克薩斯大學的Manish Kumar、賓夕法尼亞州立大學的Enrique Gomez和他們在杜邦的合作者使用了一種稱為電子斷層掃描的透射電子顯微鏡技術，在納米尺度上獲得了薄膜的三維視圖。它包括掃描高強度電子束穿過薄膜表面，形成若干個成角度的二維圖像，並將它們組合在一起，形成一個三維圖像。Kumar說：「這提供了聚合物密度的信息。現在可以找到每立方納米膜的密度，看看聚合物佔了多少，自由空間佔了多少。」

下一步，他們將構成薄膜的納米級結構的圖像數據輸入德克薩斯高級計算中心的超級計算機。研究人員能夠進行大規模的計算機模擬，揭示水通過膜的途徑。

當然，水選擇阻力最小的路徑。但Kumar說，即使是在最薄的膜中，模擬結果也表明，密集的聚合物也能形成阻礙水的結構。因此，研究小組發現，影響水傳輸的主要參數是納米尺度的膜密度而不是膜厚度。滲透性最強的膜密度最小，其密度在整個膜上波動不大。

Kumar說，如果製造商能夠在納米尺度上對其反滲透膜進行類似的評估，並找出如何使用正確的化學和處理技術來製造更均勻緻密的膜，那將使海水淡化更具成本效益。