东京大学研究团队开发出高效净化海水的新型氟环纳米管材料

2022年05月17日 18:34 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

在 5 月 12 日发表于《科学》杂志上的一篇文章中,来自东京大学的一支团队郑重介绍了《通过具有密集氟内表面的纳米通道来实现超快水渗透》的研究成果。作为一种采用类聚四氟乙烯材料的新型海水淡化膜,其声称这种微型氟环结构能够高效净水并排斥盐分,且大规模工业运用时的压力与能耗需求也低得多。

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(图自:Yoshimitsu Itoh / University of Tokyo

如图所示,这种新型海水淡化膜由一系列纳米管组成,内衬可排斥盐分、同时允许水分子以极低摩擦力流过的特氟龙材料。

鉴于世界上许多地区都面临着清洁饮用水短缺的困境,且随着气候变化的加剧,淡水资源问题只会变得愈加严重。

正因如此,淡化微咸水或海水的相关技术,被许多人视作一项至关重要的战略储备。

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仅允许水分子通过的纳米管横截面示意图(内衬氟环)

我们曾见过许多极富创意的设备,但它们要么利用热量蒸发再冷凝、要么就利用半透膜来过滤盐分和杂质 —— 而由研究一作、东京大学副教授 Yoshimitsu Itoh 带领的这支团队,也选择了后一种方案。

其关键成分是疏水、不粘锅的特氟龙材料,除了炊具、氟基涂层也常被用于保持管道内的水流畅通。

然后研究团队将环状氟基分子嵌入不透水的脂质层,结果氟不仅能够帮助水分子以极低的摩擦力流过、且其负电荷能够有效排斥并防止盐分通过。

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环状氟基分子内衬被连接到一起并组成一条纳米管

目前东京大学已经打造了 0.9 至 1.9 纳米宽的测试用氟纳米环海水淡化膜,经对膜两侧的氯离子(盐 / NaCl 的主要成分)含量进行测量,实验证明了新材料具有相当显著的优势。

与其它海水淡化方法相比,这种氟环纳米管能够更加快速、高效地过滤咸水,同时只需更低的压力与能耗。Yoshimitsu Itoh 指出:

能够亲眼见证这一成果,着实让人感到激动不已。我们在测试通道中部署的较小通道,完美地排斥了盐分子。而较大的通道,仍较其它脱盐技术、甚至简短的碳纳米管过滤器有所改进。

不过让我切实感到惊讶的,还是该过程的发生速率到底有多快。实验室样品表明,其效率较典型工业设备快了数千倍,是基于碳纳米管的实验性海水淡化设备的 2400 倍左右。

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顺道一提,尽管“特氟龙”引发了许多人对于健康问题的顾虑,但在这项海水淡化氟环纳米管的研究中,它并不会敲响这方面的警钟。

后续东京大学研究团队计划找到进一步降低制造氟纳米环膜所需的成本开销,同时着眼于扩大其规模。如果一切顺利,他们有望于几年内开测 1 米宽(3.3 英尺)的样品。

有关这项研究的详情,还请移步至近日出版的《Science》期刊上查看,原标题为《Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior Surface》。

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