采用了COF膜的海水淡化实验装置。
随着人口增长、经济发展及全球气候变化，水资源短缺问题日益突出，不少科学家希望从广阔的海水资源中寻求解法，海水淡化技术也在部分沿海地区得到推广应用，但如何大规模、可持续、低成本地淡化海水却一直是个难题。
近日，天津大学化工学院姜忠义、潘福生课题组和南开大学张振杰课题组研制出一种名为“共价有机框架”的新型膜材料（COF），可用于快速淡化海水，为高效海水淡化提供新机遇，相关研究已发表于国际期刊Nature Sustainability。5月27日，广州日报全媒体记者采访了姜忠义教授。
文、图/广州日报全媒体记者 程依伦 实习生 文字
蒸发冷凝、穿过半透膜
海水这样“变”淡水
据了解，目前全球的海水淡化技术超过二十种，主要分为两大类：以多效蒸馏和多级闪蒸为代表的热法脱盐技术，和以反渗透为代表的膜技术。
据介绍，尽管热法脱盐技术发展时间长，工艺设备及流程设计也更完善，但加热海水至水蒸气再进行冷凝成液态水过程复杂，在此过程中的能耗与成本相应较高。为降低海水淡化成本，膜法脱盐技术应用应运而生。21世纪以来，膜法脱盐技术迅速发展，逐渐蚕食热法脱盐市场，截至2019年，膜法海水淡化占比已高达65.7%。
膜法脱盐技术以反渗透为代表，即利用半透膜将淡水与其他物质分离，当海水接触膜时，水可通过膜的孔道，而盐离子和其它杂质则因颗粒过大无法通过膜，从而实现膜对盐离子截留的效果。利用反渗透技术淡化海水时，无需对海水汽化，因此脱盐能耗与成本均得到显著降低。
姜教授表示，高性能膜材料是高效膜法脱盐的关键。理想的海水淡化膜材料应当孔道尺寸均匀合适，膜主体无明显缺陷，否则盐分也会透过膜进入膜的淡水一侧，无法实现水与盐的有效分离。
截住盐离子 让水快速通过
六年内攻克“成膜”难关
从微观角度来看，海水淡化相当于实现水分子与盐离子的分离，然而水分子和盐离子大小尺寸相近，因此要求膜孔道尺寸介于水分子和盐离子之间；但传统高分子膜材料通常难以获得均匀孔径，为了实现有效海水淡化，往往制备致密的膜结构，这样的结构使得膜内部如同错综复杂的森林小道，在截留盐离子的同时也限制了水分子的通过，整体的淡化效率较低。
“膜技术在海水淡化领域具有绿色低碳节能等特点，所以我们也想在这方面展开探索。”姜忠义介绍，团队长期开展膜与膜过程研究，希望针对上述膜技术中低通量限制获得突破，将膜材料的孔径尺寸设计得恰到好处，既能截住盐离子，也能让尽可能多的水快速通过。
COF即共价有机框架材料，最早在2005年前后由美国加州伯克利大学教授奥马尔·亚基发明。COF具有高化学稳定性、大比表面积及高孔隙率等特点，并可根据分离需求调整孔道的尺寸和亲疏性，被视为可运用于海水淡化领域的新兴利器。
COF材料在各方面的优越性引起姜忠义团队的研究兴趣，自2017年起，团队陆续尝试将这种材料用于电池质子传递、有机溶剂中的染料脱除等方面，积累相关成功经验后，他们将目光转向海水淡化领域。姜忠义介绍，COF是一种结晶态物质，要制成粉末状态相对简单一些，但要拼接组装成超薄的膜材料则需经历更多额外工序，正因如此，“成膜”问题一直是COF在海水淡化中高效发挥作用的瓶颈。
“就像在同一块地方铺地砖一样，地砖块数越多，产生连接的地方就越多，砖缝是最容易有缺陷的。”姜忠义解释，COF膜内部是晶体的拼接，晶体与晶体之间的边界脆弱，在实际淡化中容易被水流及盐“攻击”，如果将单个单元的面积做大，便可减少膜内的晶间边界，让“砖缝”变少。
为了填补边界缺陷，团队从沙堡蠕虫的筑巢过程中受到启发。沙堡蠕虫是一种软体动物，在筑巢时会先收集贝壳碎片、沙砾等作为建筑材料，而其分泌的胶状黏液可将碎片黏合在一起形成完整的居巢。COF膜中的结晶态纳米片恰似基础的建筑材料，团队便设计制备了纳米带，将纳米带作为黏合纳米片边缝的“胶水”，这样一来，单片纳米片的面积增大，形成完整而牢固的膜结构。相关数据表明，通过调节纳米片与纳米带的比例，最佳COF膜对3.5%氯化钠溶液的截留率可以达到99.91%，并获得较高的水通量。
正探索规模化制备
淡化海水或先供工业
姜忠义表示，经过淡化的海水水质高于自来水，并且在技术上已可实现将淡化海水应用到日常生活中。他认为，如果目前天然水可满足饮用需求，淡化海水可先供工业使用。他还透露，关于COF膜在海水淡化中的应用目前还在实验室研究阶段，还需要进一步探索规模化制备等问题，希望能进一步提高材料的性能，压缩制作成本，以便日后开展规模化生产。
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