作者：Prachi Patel

譯者：李珩

編輯：悲催的鉈寶寶

審稿：Yuki

世界人口不斷增長，氣候不斷變化，隨之而來的是不斷增加的野火和干旱等自然災(zāi)害，潔凈水源正在成為越來越珍貴的資源。

根據(jù)聯(lián)合國2019年的報(bào)告，世界上近一半人（約36億），每年至少有一個(gè)月生活在潛在缺水的地區(qū)。如果不采取適當(dāng)?shù)氖侄?，?050年這個(gè)數(shù)字將會(huì)增長到48~57億。要解決水資源匱乏，有一個(gè)看上去非常簡(jiǎn)單的方法——將海水轉(zhuǎn)化為淡水；但其中存在一個(gè)很大的難題——如何大規(guī)模低成本可持續(xù)地淡化海水。

如何大規(guī)模低成本可持續(xù)地淡化海水是很大一個(gè)難題 | Pixabay

科羅拉多大學(xué)博爾德分校以及馬里蘭大學(xué)的研究者們從木頭中找到了答案。他們用木材制作了一種超薄過濾膜來淡化海水，凈化水質(zhì)。根據(jù)《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）對(duì)這項(xiàng)研究的報(bào)道，這種0.5毫米的薄膜，將可能成為海水淡化廠現(xiàn)在廣泛使用的石油衍生塑料薄膜的可持續(xù)性替代品。

新型海水濾膜 | S. He & T. Li

01

傳統(tǒng)的海水淡化方法

實(shí)際上，現(xiàn)在已經(jīng)有部分缺水地區(qū)成功從海水中獲得了可以飲用的清潔淡水。中東和加州等地區(qū)就已經(jīng)有海水淡化廠在為居民供水了。這些工廠大多依賴于使用反滲透的方法處理海水，也就是將海水強(qiáng)壓入多孔薄膜進(jìn)行過濾，去除鹽分和雜質(zhì)。但是，這種方法不僅會(huì)耗費(fèi)巨大的能源，還會(huì)耗費(fèi)昂貴的塑料過濾膜，后者還非常容易堵塞，導(dǎo)致更大的耗費(fèi)。

這時(shí)，一種尚未商業(yè)化的海水淡化技術(shù)——膜蒸餾技術(shù)，因其節(jié)能環(huán)保的特性引起關(guān)注，進(jìn)入了人們的視野。所謂“膜蒸餾”，就是先利用太陽能蒸發(fā)海水，水蒸氣通過疏水膜過濾，再經(jīng)過冷凝，成為清潔的淡水。但是這種處理方式中使用到的疏水膜，其制作材料是聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)等基于石油產(chǎn)業(yè)的高聚物。這類材料一方面不適合高效保溫，另一方面難以降解，容易造成環(huán)境問題。因此，受到成本和能源耗資的限制，該技術(shù)也無法廣泛應(yīng)用。

02

可持續(xù)低能耗的納米木膜

于是研究小組決定選用可持續(xù)的、耗費(fèi)更低的材料制作蒸餾膜，并最終選定了美國椴木。制作過程如下：

1.將木片切割成2毫米厚，用沸水煮12小時(shí)；

2.用熱蒸餾水沖洗三次，去除木片上的雜質(zhì)；

3.將木片放入煮沸的漂白劑溶液中，直至木材變白，以除去木質(zhì)素；

4.將去除木質(zhì)素的木片放入冷水中沖洗并冷卻干燥，保留木片的納米多孔結(jié)構(gòu)。最終，他們得到了一種無色的、類似超輕泡沫聚苯乙烯的材料。這種材料還可以用于隔熱和冷卻。

處理后與處理前的木質(zhì)薄膜 | 參考文獻(xiàn)[1]

但是木質(zhì)本身有很強(qiáng)的親水性，顯然不適合作為海水的過濾膜使用。于是研究者們打算利用硅烷和材料表面豐富的羥基官能團(tuán)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而改變木質(zhì)表面的親水性，使材料具有疏水性能。與此同時(shí)，纖維素纖維的排列方式得以保留，使熱量可以沿著材料表面?zhèn)鲗?dǎo)，但纖維之間形成的孔穴又使得熱量無法穿透材料。

研究人員將這種材料制成的過濾膜一側(cè)加熱，這樣一來，流過薄膜這一側(cè)的水就會(huì)快速蒸發(fā)。使用這種方法制造水蒸氣，比燒水制造水蒸氣消耗的能量還要小得多。此外，這種膜的孔穴也比商用塑料膜多，使得水蒸氣更易透過。

納米木膜過濾示意圖 | 參考文獻(xiàn)[1]

然而，每平米膜每小時(shí)大約只能過濾20千克水，效率大概是商用塑料膜的一半，總之，整體上沒有達(dá)到預(yù)期效果。

研究小組調(diào)查后寫道，造成該問題的原因是最終制成的膜比預(yù)想的更厚，氣孔更小。改用其他氣孔大小更理想的木材，制作更薄的膜，應(yīng)該能解決該問題。他們還計(jì)劃制造在高溫以及惡劣化學(xué)條件下更耐用的過濾膜。

水資源短缺是世界性的重大難題。淡化海水是人類解決這一難題的重要方案。為了達(dá)成這個(gè)目的，人們需要不斷摸索出更好的方法。雖然目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍不理想，但研究者們充滿信心。希望在不久的將來，納米木膜有望代替塑料過濾膜，更加高效環(huán)保地淡化海水，造福人類。

水資源短缺是世界性的重大難題 | Pexels

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