Science：不起眼的这张膜，或成海水净化明星

打开水龙头，自来水就会哗哗流出来……城市的便利生活可能会给不少人“不缺水”的幻觉。但实际上，缺水问题却困扰着包括我国在内的世界很多国家和地区。根据联合国粮农组织发布的《2020年粮食及农业状况》报告，全球人均淡水供给量近年来减少了20%以上，全球32亿人口面临水资源短缺问题，约有12亿人生活在严重缺水和水资源短缺的农业地区。

全球用水情况分布图。图片来源：Irrigation & Drainage Systems ^[1]

海水反渗透脱盐装置示意图。图片来源：NPG Asia Mater ^[2]

海水淡化是一种有望从根本上解决人类缺水问题的方案。目前海水淡化技术大致分为两类：（1）加热海水使淡水蒸发再冷凝收集（比如这篇：Nature Energy, 2016, 1, 16126，点击阅读详细），（2）膜法分离，常见技术的比如电渗析、膜电容去离子和反渗透。以反渗透为例，在自然状态下由于纯水和海水中离子浓度不同，纯水会通过半透膜向海水一侧流动。如果在海水上施加一定的压力克服渗透压，使纯水反向流动，就实现了海水反渗透脱盐的过程。膜法海水淡化技术尽管已有不少成功工业化，然而也普遍存在一些问题。例如，海水淡化之后还需另外的净化步骤，能耗高，同时会产生富含金属离子的高浓度卤水，这些金属离子中不乏对人体或者作物有害的重金属离子，难以处理。此外，由于海水中还可能含具有回收利用价值的离子，比如铀（Energy Environ. Sci., 2019, 12, 607，点击阅读详细），但目前的水处理膜几乎没有选择性，难以区分和回收。除了海水淡化之外，废水处理回用也能达到与海水淡化相似的目标，废水处理所用技术以及所面临问题与海水淡化类似。

海水反渗透脱盐示意图。图片来源于网络

如何改善膜的选择性，在实现水淡化净化的同时回收有价值的金属离子呢？近日，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）Jeffrey R. Long（点击查看介绍）课题组在Science 杂志上发表论文，提出将多孔芳香骨架（porous aromatic framework, PAF）纳米颗粒嵌入离子交换膜制备水淡化净化复合膜，不但可以制备淡水，同时还可以选择性地吸附不同的金属离子，以实现有害离子去除及有价值离子回收。研究者将这一方法称之为离子捕获电渗析法（ion-capture electrodialysis, IC-ED）。

柔性复合膜。图片来源：UC Berkeley ^[3]

“正常”的Jeffrey R. Long课题组合影。图片来源：Long Group ^[4]

“不正常”的Jeffrey R. Long课题组合影。图片来源：Long Group ^[4]

多孔芳香骨架材料由有机节点和芳香连接体构成，具有高孔隙率的类金刚石结构，可通过改变其中的结合位点实现对目标离子（如Hg²⁺、Cu²⁺和Fe³⁺等）的选择性捕获，而竞争离子（如Na⁺和Cl⁻）则自由渗透。因此，将PAF纳米颗粒嵌入离子交换膜后，在电场作用下，阴阳离子通过这种复合膜同时实现脱盐与目标离子吸附捕获。

复合膜的设计及其在离子捕获电渗析法中的应用。图片来源：Science

比如，PAF-1-SH 这种材料可以实现对Hg²⁺的选择性捕获，将20 wt%的PAF-1-SH嵌入阳离子交换膜，并对含5 ppm Hg²⁺的不同水质进行去离子净化。各个样品中汞离子都几乎完全捕获，捕获率高达99%以上。同时，其他的竞争离子（包括Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺和Pb²⁺）被成功输送到两侧的卤液，得到的淡水脱盐率均大于97%。据作者测算，1 kg含PAF-1-SH的复合膜材料可在每次再生前处理34500升受Hg²⁺（5 ppm）污染的水。

离子捕获电渗析法处理含Hg²⁺离子不同水源的效果。图片来源：Science

作者随后测试了离子捕获电渗析法的通用性，即捕获多种目标离子的能力。他们分别将对Cu²⁺和Fe³⁺具有选择性的PAF-1-SMe或PAF1-ET纳米颗粒嵌入离子交换膜。值得注意的是，所得复合膜几乎光学透明，具有出色的柔性和聚合物基质相容性。实验数据表明，分别含6 ppm Cu²⁺和2.3 ppm Fe³⁺的进液经过两种复合膜处理之后，目标离子浓度降低到ICP-OES的检测限以下，同时脱盐率保持在> 96％-99％。而使用无PAF纳米颗粒嵌入的离子交换膜，目标离子捕获量可忽略不计。除了多种金属离子，这种策略还可以用于选择性捕获B(OH)₃。

离子捕获电渗析法处理多种离子。图片来源：Science

“海水淡化或污水处理通常需要一系列高成本的预处理和后处理系统，水要依次经过这些系统”，本文一作Adam Uliana说，“我们仅用一步就可完成这些步骤，并且基本上可以利用现有技术和设备实现”。研究人员还表示，这种离子捕获电渗析新工艺有潜能从核电站废水中去除放射性同位素。^[3]

PS：也许是巧合，这篇论文发布之前几天，某岛国政府不顾邻国的强烈反对，决定向海洋中排放核废水……

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ion-capture electrodialysis using multifunctional adsorptive membranes

Adam A. Uliana, Ngoc T. Bui, Jovan Kamcev, Mercedes K. Taylor, Jeffrey J. Urban, Jeffrey R. Long

Science, 2021, 372, 296-299, DOI: 10.1126/science.abf5991

导师介绍

Jeffrey R. Long

https://www.x-mol.com/university/faculty/31 

参考文献：

[1] E. Viala. Water for food, water for life a comprehensive assessment of water management in agriculture. Irrigation & Drainage Systems, 2008, 22, 127-129.

[2] S. Homaeigohar, et al. Graphene membranes for water desalination. NPG Asia Mater., 2017, 9, e427. DOI: 10.1038/am.2017.135

[3] Improved desalination process also removes toxic metals to produce clean water

https://news.berkeley.edu/2021/04/15/improved-desalination-process-also-removes-toxic-metals-to-produce-clean-water/ 

[4] Long Group：

http://alchemy.cchem.berkeley.edu/home/ 

（本文由小希供稿）