前沿脫鹽技術(shù)研究概況--新型膜材料之第一篇

日益增長(zhǎng)的人口數(shù)量和人口密度給很多地方的供水能力帶來(lái)了壓力。據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)中葉，有20-70億人將面臨水資源缺乏的局面。為了應(yīng)對(duì)這一情況，水行業(yè)將越來(lái)越依賴海水和苦咸水脫鹽技術(shù)。

脫鹽技術(shù)分為膜法技術(shù)和熱法技術(shù)。脫鹽技術(shù)的主要缺點(diǎn)是成本高。SWRO技術(shù)中，電能花費(fèi)占到了總處理成本的30%，因此減少能耗是降低脫鹽處理成本的關(guān)鍵。一些新型膜材料可以降低能耗的同時(shí)帶到良好的脫鹽效果。

1納米復(fù)合材料膜

薄膜納米復(fù)合物（TFN）膜是將林德A型沸石納米粒子加入薄膜分離層來(lái)提高透水性和保持脫鹽率。林德A型沸石納米粒子增加了水的通透性，能在降低進(jìn)水壓力的同時(shí)保持相同的產(chǎn)水率，從而降低能耗。相比典型的純聚酰胺復(fù)合膜（TFC），由于納米孔隙的存在，這些TFN膜更加平滑、更具親水性、表面帶有更多負(fù)電荷，提高了膜的滲透性，其本質(zhì)是在膜基質(zhì)上創(chuàng)建分子級(jí)的親水性通道讓水優(yōu)先通過(guò)，而納米孔隙壁更多的負(fù)電荷則增強(qiáng)了離子排斥，從而維持脫鹽率。據(jù)報(bào)道，TFN膜元件滲透流量最高達(dá)52m3˙d-1，NaCl的脫鹽率最低為99.7%。

在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，研究人員評(píng)估了兩種不同類型的TFN膜。相比未經(jīng)改性的聚砜支撐層，加入納米粒子的聚砜支撐層具有更小的水接觸角和更高的極限抗拉強(qiáng)度。但實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果與商業(yè)化的TFC膜不具有直接的可比性。

中試規(guī)模下對(duì)TFN膜和TFC膜的對(duì)比結(jié)果表明，TFN膜的透水性比TFC膜高1.4倍。雖然TFN膜表現(xiàn)出更高的透水性，并保持了類似的脫鹽率，但其硼和低分子量亞硝胺的去除率卻比TFC膜低。目前市場(chǎng)推出的新一代TFN膜提高了硼的去除率，但其透水性與TFC膜相當(dāng)。目前還不清楚TFN膜活性層的納米粒子濃度是否能增加滲透率。

在最近的一項(xiàng)研究中，科研人員比較了NanoH2O公司TFN膜中的Qfx400R、Qfx400ES與陶氏TFC膜中的SW30XLE、SW30ULE用于太平洋的海水淡化，相應(yīng)的進(jìn)水TDS為34000mg˙L-1。在膜通量為11.9-15.3L˙m-2˙h-1，系統(tǒng)回收率為40-55%時(shí)，TFN膜的能耗是2.24-2.55kWh˙m-3。在同樣的膜通量和回收率下，TFC膜的能耗是2.28-2.61kWh˙m-3。因此，使用TFN膜節(jié)省能耗不到6%。相比TFC膜，使用TFN膜的硼去除率低。然而在海水淡化中含鹽水通過(guò)的二級(jí)RO系統(tǒng)的pH大約是10.3，這可使得水處理系統(tǒng)中硼含量（<0.5mg˙L-1）非常低。當(dāng)在TFN的RO膜和TFC的RO膜間做選擇時(shí)，還需要仔細(xì)考慮整個(gè)生命周期的成本。當(dāng)TFN膜元件成本較高時(shí)，資本成本會(huì)更高。然而，由于整個(gè)運(yùn)營(yíng)期的能耗成本降低，水廠整個(gè)生命周期成本可能會(huì)較低。

2水通道蛋白膜

水通道蛋白是控制水通過(guò)生物膜的蛋白質(zhì)通道。水通道蛋白中水分子的運(yùn)動(dòng)是由選擇性、快速擴(kuò)散和滲透梯度引起的。水通道蛋白-1（AQP1）在細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)有選擇性前庭，將允許水分子單列迅速通過(guò)，而通過(guò)靜電調(diào)諧機(jī)制分離蛋白質(zhì)并阻擋離子。

水通道蛋白膜的透水性比商業(yè)RO膜的透水性高100倍。摻入功能性水通道蛋白-Z到新型三嵌段共聚物中形成的高滲透性和選擇性膜已經(jīng)顯現(xiàn)出明顯高于現(xiàn)有RO膜的透水能力。將水通道蛋白膜附著在商業(yè)膜的研究也一直在推進(jìn)。研究人員在pH=2時(shí)通過(guò)囊泡融合將水通道蛋白附著到NF270和NTR7450商用膜上。結(jié)果表明，支撐的雙脂層形成了致密的水滲透納濾（NF）膜，可在與RO膜同等的驅(qū)動(dòng)壓力下運(yùn)行。NF膜被選為支撐層是由于其高滲透性和較低的表面粗糙度，從而達(dá)到脂質(zhì)雙分子層的最小形變。

水通道蛋白膜顯示了脫鹽的潛力，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制是滲透壓梯度（鹽濃度），而不是像RO那樣機(jī)械地應(yīng)用壓力梯度。當(dāng)膜上水通道蛋白覆蓋率達(dá)75%時(shí)，預(yù)測(cè)的液壓滲透性將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于沒(méi)有施加壓力，能耗與RO膜相比將大幅降低。由于難以獲得大量的蛋白質(zhì)和生產(chǎn)大面積的膜材料，水通道蛋白膜并沒(méi)有廣泛地用于商業(yè)化。