自反滲透膜分離逆向思維開發“正滲透”海水淡化技術
2014-05-09 16:13:07
admin
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據網易2010年8月25日訊 聯合國日前一份報告預測，到2025年，全球三分之二的人口都將面臨飲水危機。人口增長以及降雨模式的變化將使許多國家把海洋作為飲用水的潛在來源。但由于海水淡化過程中能源需求龐大，目前的技術尚無法解決人們迫在眉睫的問題。而據《新科學家》報道，相對于傳統的反滲透技術，研究人員找到了能效相對較高的替代性選擇——正滲透技術。
現代反滲透海水淡化工廠的能耗效雖然比幾十年前有所提高，但一座年生產1.5億立方米淡水的海水淡化廠也會消耗90兆瓦電力，相當于20臺海上風力渦輪機的峰值輸出。反滲透是一個內在的能源密集型過程，自然過程中水流由淡變咸，而反滲透過程正好相反。如果在海水中注入高濃度的“汲取液”，淡水就可以輕而易舉地被提取出來，這就是一些已經開始出現的試驗性“正滲透”工廠背后的原理。
美國水化技術創新公司（Hydration Technology Innovations）2004年就推出了一種基于正滲透原理的便攜式水過濾器。正滲透膜被封入小型密封塑料包，包中還含有糖和香料充當汲取液來源。但是該過濾器生產清潔飲用水的成本較高，只能用于緊急情況，因此無法應對世界性水源危機。
同樣是2004年，美國耶魯大學由梅納赫姆·伊利米勒（Menachem Elimelech）、杰弗里·麥卡琴（Jeffrey McCutcheon）、羅伯特·麥金尼斯（Robert McGinnis）組成的研究小組將正滲透理念進一步推進。該小組使用了一種基于碳酸氫銨的汲取液，銨離子和碳酸氫鹽離子可以吸引水分子通過薄膜，然后加熱溶液至40攝氏度，氨氣和二氧化碳便會排出，留下純凈的淡水，而排出的氣體可捕獲后重新使用。研究小組稱，如果能利用發電廠的余熱蒸發氣體，該方法的能耗僅是目前海水淡化工廠的20%，但這種技術對工廠的選址要求較高。
正滲透技術面臨的另一個挑戰是找到合適的薄膜，只讓水分通過，排除鹽分在外。《海水淡化報導》的編輯湯姆·潘克拉茨（Tom Pankratz）表示：“這是正滲透產業面臨的主要障礙。”正滲透膜不僅需要厚度盡量薄，以便讓海水接近吸引溶液，保持高滲透壓；同時也需要足夠強韌，可抵抗滲透產生的水流。
水化技術創新公司開發了一種纖維素薄膜，但該膜卻無法抵抗碳酸氫銨溶液的堿性。為了抵擋反滲透過程的高壓，反滲透膜需要“支撐層”來強化其韌性，但如果用于正滲透，這層膜就顯得過厚了。
耶魯大學研究小組認識到，如果將支撐層出去，就可以獲得合適的正滲透膜。通過試驗不同的聚合物溶液，該小組找到了一種利用替代支撐層制造薄膜的方法。新薄膜除了又薄又韌外，滲透性也很好。試驗中，新正滲透膜的膜通量是傳統反滲透膜的9倍，能夠過濾97%的鹽分。伊利米勒表示，試驗采用的是“手工實驗室版”新薄膜，如果新膜能以工業規模生產，其性能會更好。
南洋理工大學的新加坡膜技術中心副主任王蓉（Wang Rong）*近研發出一種由微管狀纖維構成的薄膜，可以使用碳酸氫銨作為汲取液。王蓉表示，這種薄膜有望使海水淡化工廠的能耗降低至少30%。中心主任托尼·費恩（Tony Fane）說，該膜的生產過程非常簡單，大型海水淡化設施可按需進行組裝。
英國現代之水公司（Modern Water）稱已經解決了正滲透膜問題，并成功部署了正滲透裝置來淡化海水，工廠能耗比傳統海水淡化低30%。公司沒有使用碳酸氫銨，而是利用了一種專用鹽類。該公司稱，新技術已經用于一座示范工廠和另一座完整規模的工廠。
盡管正滲透技術潛力巨大，但它仍存在許多障礙需要克服。美國科羅拉多礦業大學水凈化專家泰西·卡斯（Tzahi Cath）認為，耶魯大學研究小組的想法很完善，但他不認為蒸發碳酸氫銨氣體的廢熱能夠便宜到讓該過程具有經濟性。伊利諾斯大學海水淡化材料專家馬克·香農（Mark Shannon）表示，正滲透膜的成本過高，需求量也很大。
而兩位專家都認為，正滲透技術在回收廢水方面潛力巨大。香農說，由于咸度比海水低，滲透壓較高，廢水的膜通量更高。正滲透技術同理還可用于處理深層地下水、河口水等苦咸水。深層地下水的儲量非常豐富。香農表示，幾乎每個大陸下面都存在大量的苦咸水，正滲透技術有望取得了不起的成就。
