脱盐|仿生粘合有机框架膜 有望实现高效低成本海水淡化

99.9%
用这种方法制备的COF膜用于渗透蒸发脱盐 , 处理重量百分比为3.5的氯化钠水溶液 , 水通量可达每小时267千克/平方米 , 为市面上传统高分子膜4—10倍 , 脱盐率达99.9% 。 同时 , COF膜表现出良好的抗污染能力和长期稳定性 , 盐浓度适用范围广 , 展现出很强的适用性 。
我们生活在一颗蓝色的星球上 , 海水约占地球表面积的71% , 而陆地淡水资源只占地球上水体总量的2.53% 。 因此海水淡化是解决地球淡水资源缺乏的有效途径之一 。
日前 , 天津大学化工学院姜忠义、潘福生课题组和南开大学张振杰课题组研制出一种名为“共价有机框架”(COF)的新型膜材料 , 应用于渗透蒸发脱盐技术 , 可快速淡化海水 , 而且该方法整体综合能耗比目前已有的海水淡化技术更低 。 相关研究发表在国际期刊《自然·可持续发展》上 。
渗透蒸发成海水淡化新兴技术
现有的海水淡化技术根据技术原理大致可分为热法(或称蒸馏法、蒸发法)和膜法两大类 。
“热法脱盐的核心在于利用热能驱动盐水相变(从液态水变为水蒸气) , 通过相变过程实现挥发性物质水和非挥发性物质盐的分离 。 ”天津大学化工学院教授姜忠义介绍 , 多级闪蒸和多效精馏是发展时间最长 , 应用最为广泛的两类热法脱盐技术 , 这两种技术的装机容量占全球海水淡化总装机容量的25% 。
热法脱盐虽然脱盐率高达99.9% , 处理量大 , 但需要把液态水变为水蒸气 , 因此能耗较高 , 产水总体成本大约为6.5—17.7元/吨 。 因此热法脱盐在热量充足的中东地区等应用更为广泛 。
膜法脱盐包括反渗透、正渗透、纳滤等 , 因为无相变过程 , 所以通常无需提供水的汽化潜热 。
“相比于热法脱盐 , 膜法脱盐在能耗上表现出显著优势 。 反渗透技术是最为成熟的膜法脱盐技术 。 ”天津大学化工学院研究员潘福生解释 , 这种技术利用半透膜实现盐离子和水分子分离 , 通过精密构筑膜孔道尺寸及电荷性质 , 使得膜只允许水分子通过而截留盐离子 。 当在盐水侧施加一个大于盐水渗透压的压力 , 即可驱动水分子由盐水侧向淡水侧扩散 , 而盐离子无法通过 , 即可实现盐水分离 。
由于反渗透技术不需要相变 , 不需要消耗潜热 , 如果水回收率达到50%的时候 , 其热力学极限能耗为1.06千瓦时/每立方米(kWh/m3) , 远低于热法脱盐的13kWh/m3 , 其产水成本为4.7—7.4元/立方米 。
【脱盐|仿生粘合有机框架膜 有望实现高效低成本海水淡化】目前膜法反渗透技术已成为全球装机容量最大(约占69%)、应用最为广泛的脱盐技术 。
“也因为如此 , 膜材料被称为海水淡化技术的‘芯片’ 。 ”潘福生介绍 , 国内相关研究起步较晚 , 海水淡化反渗透膜使用的高端聚酰胺膜材料主要依赖进口 , 核心材料、工艺、装备的国产化依旧是膜技术领域急需解决的问题 。
近年来兴起了一类新的脱盐技术 , 即热—膜耦合脱盐技术 , 如渗透蒸发 。 该类技术既具有热法的相变过程 , 也具有膜法选择渗透特性 , 因此在能耗和脱盐性能上均表现出独特优势 。
“渗透蒸发脱盐的原理是海水在膜两侧蒸汽压差的推动下 , 水分子在膜中经过液体流动 , 发生相变 , 最终以气态形式透过膜 , 而后冷凝收集 。 ”潘福生介绍 , 不同于膜蒸馏 , 渗透蒸发膜为亲水的致密材料 , 孔径通常小于1纳米 , 膜本身具有阻隔盐离子的能力 , 起到主要分离作用 , 同时盐无法发生相变 , 从而被进一步截留 。 同时 , 大量的纳米膜孔道作为毛细管可提供丰富的蒸发面积 , 其气—液界面的存在也可以让水轻松通过 。