納米薄膜助海水化淡 研究指密度均勻為關鍵 去鹽效率提高最多四成

淡水資源珍貴,所以人類一直以海水淡化,增加淡水供應,但當中需要克服多種科學挑戰,包括改善去鹽的薄膜製造。最新刊於《科學》的研究則指,可透過新的納米級薄膜,令去鹽效率提高 30-40% ,並使海水淡化程序更便宜,且可更廣泛應用淡化技術。

負責研究的美國團隊指,如何保持去鹽薄膜的密度一致,比膜本身的厚薄更為重要,從而改善稱為逆滲透 (reverse osmosis) 的淡化技術,使鹽等的礦物質能在加壓下,被薄膜捕獲與去除。

有參與研究的德州大學奧斯汀分校環境工程師 Manish Kumar 表示,反滲透膜被廣泛用於淨化淡水,但我們對其運作所知甚少。他說:「我們不能真正說出水是如何流過這些膜,因此過去 40 年中的所有改進,基本上都是閉門做車。」

為了更清楚地了解這些反滲透膜的運作情況, Kumar 的團隊利用了多模態電子顯微鏡技術,亦即將化學成分分析與 3D 納米級製圖技術結合,以模擬其海水淡化效率。

團隊作出此研究,是因為觀察到較厚的逆滲透膜,通常在去鹽方面更勝一籌,但事實上海水需要穿透的材質較多,令團隊懷疑有其他機制影響到去鹽過程。模擬的結果則發現,逆滲透膜中的厚度不一致,比厚度本身,對水分子穿過膜有更大的影響。

團隊的模型顯示,在納米級層面上的薄膜不平均,是影響海水過濾效率的關鍵,相反膜的厚度影響較為次要。 Credit: Enrique Gomez/Penn State

有參與研究的賓州州立大學化學工程師 Enrique Gomez 以咖啡過濾器作例子,解釋整塊逆滲透膜的密度雖然看上去很均勻,但在納米層面上仍會有一定偏差,如何控制其密度分布,對於水過濾性能而言是十分重要。

團隊認為,令膜的密度均勻分佈,可以使用更少能量潔淨更多的水,為大企業和消費者節省成本,並使更多人使用淡化技術。

生產淡水不僅對公共衛生非常關鍵,而且對農業和能源生產也同樣重要。現時每年全球可淡化數十億加侖的海水,因此將效率提高 30%–40% 可能會產生很大的不同。值得留意的是,全港每日用水量也高達 7.2 億加侖

Gomez 補充,淡水管理正成為全球其中一個面臨的關鍵挑戰;隨著氣候變化造成的淡水短缺、乾旱加劇,預計潔淨淡水資源供應問題將變得更為嚴峻,特別是貧窮、資源匱乏的地區。

來源:
Science Alert, New Discovery Could Lead to Cheaper And More Efficient Water Desalination, 5 January 2021

報告:
Culp, T.E., Khara, B., Brickey, K.P. & et al. (2021). Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes. Science 01 Jan 2021: Vol. 371, Issue 6524, pp. 72-75. DOI: 10.1126/science.abb8518

文/Alan Chiu

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