【科普】净化海水的电气化未来，伊大新开发净水系统耗能减少90%

2024-06-12 07:06

地球表面的三分之二都充斥着水，但数十亿人却无法获得水，特别是清洁可饮用的水。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校贝克曼研究所的研究人员开发了一种水净化系统，通过电气化透析技术将盐和其它不必要的颗粒分离出来。该方法被成功地应用于污水处理，并计划扩展到河流和海洋中。与同类方法相比，它节省了资金，消耗的能源减少了90%。这项研究成果被发表在《ACS Energy Letters》杂志上。

左起：Xiao Su, Nayeong Kim, Johannes Elbert

如果把盐从水中去除就像在太平洋上空挥动一块巨大的磁铁或用超细筛子筛液体那么简单就好了。一旦这种微小的矿物质溶解，分离过程（科学界称之为海水淡化）就会变得更加昂贵，消耗更多的能源。由于杂质和有机物质，海水淡化变得更加复杂，去除这些物质会刺激能源和成本预算膨胀。

贝克曼研究所研究员、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学和生物分子工程助理教授Xiao Su介绍说：“我们需要一种低能耗、廉价、对最需要它的社区有用的净化饮用水的方法。我认为我们的解决方案是一个解决能源和水危机的平台。”

水的脱盐通常需要过滤或蒸发，以分离出不需要的元素如钠、氯化物、有机物和其它杂质。例如，加热就能很好地达到这个目的。一个简单的厨房实验表明，煮沸的盐水会使液体蒸发，而盐会以一种固体的咸味外壳形式存在。Su教授和他的同事则是采用了不同的方法——电渗析，从废水中去除盐和有机物，产生干净、可饮用的水。

电渗析是一种有效的海水淡化工具，但往往需要较高的能源成本。这在很大程度上是由于它的水分解反应，将水分子分解成两个组成部分：一个带正电荷的质子和一个带负电荷的氢氧根。因为盐的组成部分本身也带电荷，分解水会迫使矿物质沿着指定的方向运动，就像金属碎片被磁铁吸引一样。

然而，电渗析使用带电离子交换膜而不是磁铁，之所以这样命名是因为只有离子(带正电荷或负电荷的原子)可以通过。离子交换膜是电渗析中最昂贵的部件之一，因为它们需要勤维护和频繁的更换。Su教授和他的同事们试图在没有电渗析的能量消耗或离子交换膜的经济压力的情况下净化水。因此，他们在两个主要方面修改了传统的方法。

为了节省能源，研究人员利用氧化还原反应的化学现象简化了盐分离过程。

从化学角度来说，结果是变革性的。氧化还原反应不是将水分子分成带正电荷和带负电荷的部分以诱导出盐，而是一举改变整个水分子的电荷，以比传统水分解少约90%的能量却实现相同程度的盐分离。

为了在提高能源效率的同时节约成本，研究人员将传统的离子交换膜换成了纳滤膜，这是一种更坚固、更便宜的选择。