海水淡化，顧名思義，就是去除海水中的鹽分，以滿足人們?nèi)粘Ｉ钪酗嬘盟�、農(nóng)業(yè)或工業(yè)用水的需求。據(jù)了解，全球有超過3億人依賴淡化水來滿足部分或全部的日常需求。隨著世界各地人口的不斷增長和生活水平的顯著提高，未來該需求只會持續(xù)增加。
然而，從海洋中獲取飲用水需要復(fù)雜且昂貴的海水淡化技術(shù)，包括一系列高成本的預(yù)處理和后處理的系統(tǒng)，如抽取海水、預(yù)處理、反滲透、后處理以及最終的存儲和輸送。圖1. 海水淡化技術(shù)的相關(guān)流程目前，海水淡化領(lǐng)域的主流技術(shù)是反滲透膜技術(shù)。其中，反滲透膜的孔徑達(dá)到納米級，在一定壓力下，水分子可以通過而海水中的無機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無法通過，從而實現(xiàn)海水的淡化。然而，該技術(shù)一直存在高成本、高能耗和膜二次污染等問題。此外，該過程通常會留下難以處理的有毒鹽水，包含對植物有毒的硼以及對人類有害的重金屬，如砷和汞。因此，急需開發(fā)低成本，低能耗和高效率的水處理技術(shù)，同時能夠去除水中含有的有害金屬。為了解決海水淡化的這一技術(shù)難題，加州大學(xué)伯克利分校Jeffrey R. Long教授課題組在《Science》刊文報道了一種能夠同時去除海水中的鹽分及重金屬的離子捕獲電滲析技術(shù)（ion-capture electrodialysis）。研究人員首先合成了摻雜多孔芳香骨架材料(PAFs)納米粒子的聚合物離子交換膜，然后將其與電滲析脫鹽工藝相結(jié)合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該柔性聚合物膜在淡化海水的同時可以去除幾乎100%的有毒金屬（砷和汞），生產(chǎn)出純凈的鹽水和純凈水，并捕獲有價值的金屬（如金）供后續(xù)使用或處理。此外，用不同的基團(tuán)修飾PAFs分子上的苯環(huán)，就能特異性地捕獲不同的物質(zhì)，十分靈活。最重要的是，該海水淡化膜在水中和高溫條件下都具有良好的穩(wěn)定性，并且可以重復(fù)使用，為高效制備飲用水提供了新思路。研究成果以“Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes”為題，于4月16日發(fā)表在《Science》上!在多功能海水淡化膜中使用的納米粒子被稱為多孔芳族骨架，即PAF，由有機(jī)節(jié)點和芳族連接基組成，具有高孔隙率類金剛石結(jié)構(gòu)，但碳原子之間由芳香族基團(tuán)連接，從而形成了許多內(nèi)部空間，可以將各種分子可以接枝到芳香基團(tuán)上以捕獲特定的化學(xué)物質(zhì)（圖2a-b）。研究人員通過將具有離子選擇性PAF納米粒子（約200 nm）嵌入離子交換膜中，合成了一種柔性的多功能海水淡化膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有的薄膜都表現(xiàn)出明顯的光學(xué)透明性和機(jī)械柔韌性，說明PAF粒子在膜中分散均勻。而且，由于骨架與聚合物之間的范德華相互作用，該海水淡化膜在水中和高溫下非常穩(wěn)定。圖2. 復(fù)合膜的設(shè)計及其在離子捕獲電滲析中的應(yīng)用研究人員將嵌入PAF納米粒子的薄膜納入電滲析系統(tǒng)用于海水淡化。當(dāng)施加電壓驅(qū)動水中的離子通過薄膜時，不僅鈉離子與氯離子能夠與水分離，同時嵌在膜上的納米粒子還能夠捕獲特定的目標(biāo)金屬粒子（如Fe2+, Hg2+）及其他有害物質(zhì)。而且，用不同的基團(tuán)修飾PAFs分子上的苯環(huán)，就能特異性地捕獲不同的物質(zhì)，十分靈活（圖2C）：如果要回收高價值的金屬（Au），則可以通過在膜中嵌入具有Au+1選擇性的PAF納米顆粒；如果需要在一個步驟中除去多種污染物，則嵌入多種類型的PAF納米顆粒，每一種都可以吸收不同的金屬或離子化合物。比如，為了捕獲汞，研究人員將附著了硫醇的PAF納米粒子嵌入離子交換膜，制備了對汞具有高選擇性的聚合物膜。測試結(jié)果表明，一公斤的膜材料可以100%去除含Hg2+濃度為5 ppm的35000升水中的所有汞。此外，研究人員還證明了該膜至少可以重復(fù)使用10次以上，而不會失去其吸收離子金屬的能力。而且，含有可吸收金屬的PAF的膜可以輕松釋放其吸收的金屬，以進(jìn)行捕獲和再利用。不難看出，該多功能海水淡化膜不僅實現(xiàn)了水的脫鹽和幾乎100%的重金屬離子去除，還可以回收高價值的金屬，并可重復(fù)使用，具有極高的商業(yè)價值。雖然文章提出的離子捕獲電滲析這一概念證明報告?zhèn)戎赜趯Ω鞣N陽離子和中性物種的選擇性捕獲，但這一概念可以擴(kuò)展到構(gòu)建更復(fù)雜的分離方案，用于同時捕獲目標(biāo)陽離子和陰離子，非常適用于開發(fā)高效和選擇性的多功能分離使用吸附膜。Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes. Science 372 (6539), 296-299. DOI:10.1126/science.abf5991. http://science.sciencemag.org/content/372/6539/296
