新設備淨化海水速度比標準工業設備快1000倍以上
水覆蓋了地球的70%,所以我們很容易認為它將永遠是豐富的。然而,淡水是非常稀缺的。一種旨在幫助生產更多淡水的技術是海水淡化廠。水的脫鹽是將鹽從海水中去除,以產生可進一步處理和安全使用的淡水的過程。一個海水淡化廠將其收到的水的大約一半轉化為可飲用水。
水資源匱乏是全球範圍內一個日益嚴重的問題。僅在非洲,估計到2025年將有約2.3億人面臨缺水,多達4.6億人生活在水資源緊張的地區。2022年5月12日發表在《科學》上的一項新研究發現了一種新的淨水方法,其速度甚至比基於碳納米管的實驗性海水淡化裝置還要快2400倍。
儘管海水淡化是一種成熟的生產飲用水的方式,但它伴隨著高能源成本。研究人員首次使用氟基納米結構成功地過濾了水中的鹽。這些含氟納米通道比傳統的海水淡化技術更有效,因為它們操作更快,使用的壓力更小,是一種更有效的過濾器,而且使用的能源更少。
如果你曾經使用過不粘鐵氟龍塗層的煎鍋,你可能已經看到濕的成分是如何毫不費力地在煎鍋上滑動的。氟是一種輕質成分,具有內在的防水性,或疏水性,是特富龍的一個重要組成部分。特富龍還可以通過在管道內鋪設特富龍來提高水的流動性。東京大學化學和生物技術系的Yoshimitsu Itoh副教授以及他的同事對這種行為感到好奇。因此,他們受到啟發,研究氟管道或通道如何在不同的規模上工作,即納米級。
研究人員通過化學方法製造納米氟環,將其疊加並植入原本無法穿透的脂質層中,類似於細胞壁中的有機分子,從而開發出測試過濾膜。他們開發了多個測試樣品,納米環的大小從1到2納米不等。一根人類的頭髮幾乎有100000納米寬。在測試膜的兩邊,Itoh和他的同事評估了氯離子的存在,氯離子是鹽的主要成分之一,以確定他們的膜的有效性。
測試通道中較小的通道完美地拒絕了進入的鹽分子,較大的通道也仍然比其他脫鹽技術,甚至尖端的碳納米管過濾器有改進,真正讓研究人員驚訝的是這個過程發生的速度有多快。樣品比典型的工業設備快幾千倍,比基於碳納米管的實驗性脫鹽設備快2400倍左右。
由於氟是負電荷,它排斥負離子,如鹽中的氯。但這種負性的一個額外好處是,它還能分解所謂的水團,基本上是鬆散結合的水分子組,以便它們更快地通過通道。