全球近80%的淡水用於農業、畜牧業和能源應用，這對發達國家和發展中國家的現有水源，都造成了巨大的壓力。膜過濾、蒸餾、離子交換等技術被廣泛用於淨水；然而，從水中除去溶解的溶質，特別是鹽，所需的能量仍然很高。
生物膜，依靠明確的內部納米結構的膜蛋白的形式，可以實現顯著的高滲透性，同時保持理想的選擇性。近日，來自美國德克薩斯大學的Manish Kumar &賓夕法尼亞州立大學的Enrique D. Gomez等研究者，將生物膜的設計策略應用到淡化膜上。相關論文以題為「Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes」發表在頂級期刊Science上。與此同時，該論文登上了2021年第一期《Science》期刊的封面。
論文連結：
https://science.sciencemag.org/content/371/6524/72
反滲透(RO)佔全球海水淡化能力的66%，每天生產近210億加侖的水。它在從廢水和其他廢水流中，回收和回收淡水供人類和工業使用方面，也發揮著越來越重要的作用。近年來，在反滲透膜合成方面，通過控制全芳香族聚醯胺(PA)活性層的內部形貌、厚度和進料表面積，取得了重要進展，獲得了製造高滲透性海水淡化膜的方法。然而，目前尚不清楚，所產生的納米級PA形態如何與在此類膜中觀察到的性能相關聯。
在此，研究者描述了一種方法，來量化三維(3D)納米尺度的聚合物質量變化對一系列四個反滲透膜(PA1到PA4)的PA活性層內的水傳輸的影響。一系列聚醯胺脫鹽膜是在工業規模的生產線上合成的，它們的加工條件不同，但化學成分相同，它們的透水性和活性層厚度增加，但氯化鈉選擇性不變。透射電子顯微鏡測量，使得研究者能夠確定納米級三維聚醯胺密度圖，並預測零可調參數的水滲透性。研究表明，密度波動對水的輸送是有害的，在不犧牲鹽選擇性的情況下，這使得，對納米尺度聚醯胺不均勻性的系統的控制成為最大化水的滲透性的關鍵途徑。
最具滲透性的膜(PA4)平均密度最低，密度分布最窄，這表明高滲透性的膜將抑制水滲透性的質量波動降到最低，從而在保持選擇性的同時使整體滲透性最大化。這與最大化氣體分離膜的滲透性和選擇性的策略是一致的。將密度值限制在溶質選擇性折衷的邊界以下的狹窄分布，可以為理想的選擇性提供可能的最高水滲透性。
圖1 通過能量過濾TEM和電子斷層掃描相結合量化PA RO膜的三維納米尺度不均勻性。
圖2用能量過濾的透射電子顯微鏡測定PA膜中水的平均密度、自由體積和擴散係數。
圖3 通過能量過濾TEM和電子層析成像得到的三維模型計算水的輸運。
圖4 納米尺度水傳輸計算預測零可調參數水的滲透性，以及膜性能與最先進膜的比較。
綜上，此文中量化了膜的結構-性質關係，並得到超過文獻報導的脫鹽性能的上限，並進一步研究了水擴散機制和預測運輸速率。研究證明，結合能量過濾TEM和電子斷層掃描-即，多模態電子顯微鏡是創建高性能RO膜形態和水傳輸之間預測相關性的關鍵工具。這些關聯可以擴展到其他分子分離和聚合系統，以改進各種應用的設計策略，包括氣體和碳氫化合物分離、碳捕獲、藍色能源生產和海水淡化。（文：水生）
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