膜技術(shù)——全球水危機(jī)問題的救星
發(fā)布時(shí)間：2024-05-09 點(diǎn)擊：85
據(jù)稱全球69億人口中，有9億人無(wú)法正常獲得飲用水，26億人沒有污水處理等衛(wèi)生設(shè)備。這種情況在水資源豐富的日本是無(wú)法想像的，缺水和水質(zhì)污染等水問題已經(jīng)成為與糧食和能源并列的、亟待人類解決的課題之一。
在水問題像如今這般備受關(guān)注之前，日本東麗公司就一直專注于水處理用分離膜＊1的研究（圖1）。該分離膜根據(jù)分離對(duì)象物質(zhì)的大小備有4種，東麗在全球獨(dú)一無(wú)二地以自主技術(shù)開發(fā)出這4種分離膜。
圖1：非洲最大的海水淡化工廠
建在阿爾及利亞首都阿爾及爾近郊。每天的產(chǎn)水能力為20萬(wàn)m3。2008年2月開始啟用。 照片提供：ge water & process technologies
＊1：水處理用分離膜 按照對(duì)象物從小到大的順序，分別為ro膜、nf（納米過濾）膜、uf（超濾）膜以及mf（精密過濾）膜。對(duì)象物的大小分別為0.5n～0.7nm以上、1nm以上，10nm以上以及100nm以上。
東麗堅(jiān)持開發(fā)該分離膜的目的很明確，就是希望向全世界的人們提供便宜的安全放心水。為了穩(wěn)定確保水的“質(zhì)”與“量”，該公司一直堅(jiān)持不懈地開展研究工作。[next]
從光滑側(cè)流向粗糙側(cè)
在4種水處理用分離膜中，分離對(duì)象（支持膜的微孔徑）最小的是ro（反滲透）膜。其大小實(shí)際上僅為0.5n～0.7nm。可以分離na（鈉）離子和cl（氯）離子等一價(jià)離子，以及硼和三鹵甲烷等限制物質(zhì)＊2。
＊2：海水中也有硼。硼有可能會(huì)引起柑橘類疾病，或者使動(dòng)物的生殖功能下降。
正如其名稱一樣，ro膜利用了反滲透這一物理現(xiàn)象。溶質(zhì)濃度不同的兩種溶液經(jīng)由半透膜接觸后，稀薄溶液側(cè)的水會(huì)向粘稠溶液側(cè)移動(dòng)，以使兩種溶液的溶質(zhì)濃度達(dá)到統(tǒng)一。這種現(xiàn)象叫做“滲透”，水移動(dòng)達(dá)到明顯停止的平衡狀態(tài)時(shí)，半透膜承受的兩種溶液的水壓差叫做滲透壓。因此，如果向粘稠溶液側(cè)施加超過滲透壓的較大壓力，那么水就會(huì)朝著與滲透時(shí)相反的方向移動(dòng)。這就是“反滲透”。實(shí)際上，對(duì)于鹽分濃度約為3.5％的100單位海水（粘稠溶液），通過施加5.5mpa的壓力可以獲得40單位的淡水（稀薄溶液）、60單位的濃縮海水。這就是海水淡化原理。
ro膜由三層構(gòu)成（圖2）。底層是厚度為150μm的聚酯無(wú)紡布基材。其上面層疊了作為支撐層的45μm厚聚砜（uf膜），以及用作分離功能層的0.2μm厚交聯(lián)芳香聚酰胺（ro膜）。ro膜的手感像紙一樣，海水和污水的處理溶液，會(huì)從光滑的ro膜側(cè)流向粗糙的基材側(cè)。
圖2：ro膜的構(gòu)成
采用從上開始分別為分離功能層（ro膜）、支撐層（uf膜）以及基材（無(wú)紡布）的3層構(gòu)造。ro膜大小約為0.5n～0.7nm，支撐層帶有約10nm的微孔。基材中有幾μm的縫隙。中間支撐層的作用是使ro膜表面變得平滑。[next]
進(jìn)行納米級(jí)膜設(shè)計(jì)
要想提高性能，ro膜孔的大小、分布以及數(shù)量控制尤其重要。東麗地球環(huán)境研究所所長(zhǎng)邊見昌弘表示，“ro膜表面采用聚酰胺薄膜的褶皺構(gòu)造。為了以高水平維持或提高非常難以去除的硼的去除率同時(shí)讓水順利通過，我們對(duì)褶皺的大小和表面積進(jìn)行了設(shè)計(jì)”。
解析技術(shù)對(duì)此類膜設(shè)計(jì)提供了幫助。東麗在2005年開發(fā)出了將基于日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所電子加速器設(shè)施的“正電子湮沒壽命測(cè)量法＊3”應(yīng)用于薄膜的技術(shù)，并在全球首次確立了以非破壞性方式測(cè)量ro膜孔直徑的解析方法。由此，實(shí)現(xiàn)完善的ro膜設(shè)計(jì)成為可能。
＊3：正電子湮沒壽命測(cè)量法 利用正電子容易被缺陷捕獲的性質(zhì)，測(cè)定正電子與電子碰撞并湮沒之前的時(shí)間，然后提取缺陷信息。東麗將其應(yīng)用在了ro膜孔分析上。
邊見昌弘表示，今后，計(jì)劃“使性能比目前增加5成”。這一目標(biāo)的具體內(nèi)容是在維持硼去除率的同時(shí)，將產(chǎn)水量提高至1.5倍。據(jù)東麗介紹，提高產(chǎn)水量有助于節(jié)能，因此市場(chǎng)需求非常大。
以上主要是以海水和鹽水＊4為處理對(duì)象的ro膜，不僅如此，ro膜還可以用于處理污水。此時(shí)，抑制被稱為水生物污垢的膜污垢將成為一個(gè)重要因素。要想降低水生物污垢，即不易產(chǎn)生污垢，就需要使膜表面平滑且具有親水性。這樣一來(lái)，污垢就不易附著了，即使附著上也可用水輕松地洗掉。
＊4：鹽水 指海水和淡水混合后的水。包含0.1～1.0％的鹽分。
還將推進(jìn)研究新型膜
海水淡化的主要方法，除了利用ro膜的反滲透法以外還有蒸餾法。將海水加熱產(chǎn)生蒸汽，然后將其凝縮獲得淡水。由于蒸餾法采用熱能，因此在能源價(jià)格較低的中東等地該方法是主流。
但是環(huán)顧全球，反滲透法的應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)大，2000年代超過了蒸餾法。從生產(chǎn)1噸水時(shí)的二氧化碳排量來(lái)看，蒸餾法為10kg/m3，而反滲透法僅為其1/5的2kg/m3。另外，就產(chǎn)水成本而言，“在中東也是反滲透法更低”，因此估計(jì)反滲透法的應(yīng)用范圍今后將越來(lái)越大。
與此同時(shí)，除了ro膜外，還將推進(jìn)研究其他的新型膜。例如，碳納米管（cnt）。由于具有疏水性，因此水可以高速地通過cnt內(nèi)。模仿向細(xì)胞供水的蛋白質(zhì)、由約300個(gè)氨基酸構(gòu)成的膜蛋白“水通道蛋白（aquaporin）”也是有力候補(bǔ)。由于可以只通過水而不通過離子，因此有望具備較高的水選擇滲透性。
這些膜技術(shù)的發(fā)展將造福35億人。
2013年6成報(bào)業(yè)單位報(bào)紙印量呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)
玻璃卡片紙為何難印？
惠普HP Indigo press 3500數(shù)碼印刷機(jī)
淺析數(shù)字印刷方式的必要性和重要性
各國(guó)環(huán)保包裝嚴(yán)格要求看過來(lái)
液態(tài)數(shù)字印刷油墨配方
PPI下跌對(duì)包裝印刷業(yè)的影響！
水性UV油墨固化干燥機(jī)理及影響因素
在水問題像如今這般備受關(guān)注之前，日本東麗公司就一直專注于水處理用分離膜＊1的研究（圖1）。該分離膜根據(jù)分離對(duì)象物質(zhì)的大小備有4種，東麗在全球獨(dú)一無(wú)二地以自主技術(shù)開發(fā)出這4種分離膜。
圖1：非洲最大的海水淡化工廠
建在阿爾及利亞首都阿爾及爾近郊。每天的產(chǎn)水能力為20萬(wàn)m3。2008年2月開始啟用。 照片提供：ge water & process technologies
＊1：水處理用分離膜 按照對(duì)象物從小到大的順序，分別為ro膜、nf（納米過濾）膜、uf（超濾）膜以及mf（精密過濾）膜。對(duì)象物的大小分別為0.5n～0.7nm以上、1nm以上，10nm以上以及100nm以上。
東麗堅(jiān)持開發(fā)該分離膜的目的很明確，就是希望向全世界的人們提供便宜的安全放心水。為了穩(wěn)定確保水的“質(zhì)”與“量”，該公司一直堅(jiān)持不懈地開展研究工作。[next]
從光滑側(cè)流向粗糙側(cè)
在4種水處理用分離膜中，分離對(duì)象（支持膜的微孔徑）最小的是ro（反滲透）膜。其大小實(shí)際上僅為0.5n～0.7nm。可以分離na（鈉）離子和cl（氯）離子等一價(jià)離子，以及硼和三鹵甲烷等限制物質(zhì)＊2。
＊2：海水中也有硼。硼有可能會(huì)引起柑橘類疾病，或者使動(dòng)物的生殖功能下降。
正如其名稱一樣，ro膜利用了反滲透這一物理現(xiàn)象。溶質(zhì)濃度不同的兩種溶液經(jīng)由半透膜接觸后，稀薄溶液側(cè)的水會(huì)向粘稠溶液側(cè)移動(dòng)，以使兩種溶液的溶質(zhì)濃度達(dá)到統(tǒng)一。這種現(xiàn)象叫做“滲透”，水移動(dòng)達(dá)到明顯停止的平衡狀態(tài)時(shí)，半透膜承受的兩種溶液的水壓差叫做滲透壓。因此，如果向粘稠溶液側(cè)施加超過滲透壓的較大壓力，那么水就會(huì)朝著與滲透時(shí)相反的方向移動(dòng)。這就是“反滲透”。實(shí)際上，對(duì)于鹽分濃度約為3.5％的100單位海水（粘稠溶液），通過施加5.5mpa的壓力可以獲得40單位的淡水（稀薄溶液）、60單位的濃縮海水。這就是海水淡化原理。
ro膜由三層構(gòu)成（圖2）。底層是厚度為150μm的聚酯無(wú)紡布基材。其上面層疊了作為支撐層的45μm厚聚砜（uf膜），以及用作分離功能層的0.2μm厚交聯(lián)芳香聚酰胺（ro膜）。ro膜的手感像紙一樣，海水和污水的處理溶液，會(huì)從光滑的ro膜側(cè)流向粗糙的基材側(cè)。
圖2：ro膜的構(gòu)成
采用從上開始分別為分離功能層（ro膜）、支撐層（uf膜）以及基材（無(wú)紡布）的3層構(gòu)造。ro膜大小約為0.5n～0.7nm，支撐層帶有約10nm的微孔。基材中有幾μm的縫隙。中間支撐層的作用是使ro膜表面變得平滑。[next]
進(jìn)行納米級(jí)膜設(shè)計(jì)
要想提高性能，ro膜孔的大小、分布以及數(shù)量控制尤其重要。東麗地球環(huán)境研究所所長(zhǎng)邊見昌弘表示，“ro膜表面采用聚酰胺薄膜的褶皺構(gòu)造。為了以高水平維持或提高非常難以去除的硼的去除率同時(shí)讓水順利通過，我們對(duì)褶皺的大小和表面積進(jìn)行了設(shè)計(jì)”。
解析技術(shù)對(duì)此類膜設(shè)計(jì)提供了幫助。東麗在2005年開發(fā)出了將基于日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所電子加速器設(shè)施的“正電子湮沒壽命測(cè)量法＊3”應(yīng)用于薄膜的技術(shù)，并在全球首次確立了以非破壞性方式測(cè)量ro膜孔直徑的解析方法。由此，實(shí)現(xiàn)完善的ro膜設(shè)計(jì)成為可能。
＊3：正電子湮沒壽命測(cè)量法 利用正電子容易被缺陷捕獲的性質(zhì)，測(cè)定正電子與電子碰撞并湮沒之前的時(shí)間，然后提取缺陷信息。東麗將其應(yīng)用在了ro膜孔分析上。
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以上主要是以海水和鹽水＊4為處理對(duì)象的ro膜，不僅如此，ro膜還可以用于處理污水。此時(shí)，抑制被稱為水生物污垢的膜污垢將成為一個(gè)重要因素。要想降低水生物污垢，即不易產(chǎn)生污垢，就需要使膜表面平滑且具有親水性。這樣一來(lái)，污垢就不易附著了，即使附著上也可用水輕松地洗掉。
＊4：鹽水 指海水和淡水混合后的水。包含0.1～1.0％的鹽分。
還將推進(jìn)研究新型膜
海水淡化的主要方法，除了利用ro膜的反滲透法以外還有蒸餾法。將海水加熱產(chǎn)生蒸汽，然后將其凝縮獲得淡水。由于蒸餾法采用熱能，因此在能源價(jià)格較低的中東等地該方法是主流。
但是環(huán)顧全球，反滲透法的應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)大，2000年代超過了蒸餾法。從生產(chǎn)1噸水時(shí)的二氧化碳排量來(lái)看，蒸餾法為10kg/m3，而反滲透法僅為其1/5的2kg/m3。另外，就產(chǎn)水成本而言，“在中東也是反滲透法更低”，因此估計(jì)反滲透法的應(yīng)用范圍今后將越來(lái)越大。
與此同時(shí)，除了ro膜外，還將推進(jìn)研究其他的新型膜。例如，碳納米管（cnt）。由于具有疏水性，因此水可以高速地通過cnt內(nèi)。模仿向細(xì)胞供水的蛋白質(zhì)、由約300個(gè)氨基酸構(gòu)成的膜蛋白“水通道蛋白（aquaporin）”也是有力候補(bǔ)。由于可以只通過水而不通過離子，因此有望具備較高的水選擇滲透性。
這些膜技術(shù)的發(fā)展將造福35億人。
2013年6成報(bào)業(yè)單位報(bào)紙印量呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)
玻璃卡片紙為何難印？
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