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      凈化海水30分鐘就能喝?或解決全球飲水危機

      2020-08-24 11:52:54來源:紅星新聞  

      干凈的飲用水是人類賴以生存的重要資源。然而,全球超過20億人喝不到干凈水,因此面臨著感染致死性疾病的風險。據WHO顯示,隨著氣候危機加劇,到2025年全球一半的人口將生活在水資源緊張的地區。

      現在有了一種最新的凈水技術:將一個乒乓球一樣的材料放進一桶水中晃一晃,就能吸進水中的鹽分及其他雜質,凈化出安全可飲用的水。再放一些干凈的水,把它放在太陽底下曬幾分鐘、晃一晃,就能再次用于凈水。

      這就是《自然·可持續發展》(Nature Sustainability)雜志8月10日發表的最新研究。該研究由澳大利亞蒙納士大學教授王煥庭帶領團隊研發而成,而研究的第一作者為廈門大學環境與生態學院副教授、博導區然雯。這是一種光敏MOF材料PSP-MIL-53,通過吸附的方法,可在30分鐘內將海水淡化為安全、干凈的飲用水,將有望在水資源短缺地區解決安全飲用水問題,極大造福人類。

      近日,紅星新聞記者聯系上了王煥庭教授,他介紹了這種材料用于凈水的諸多優勢,并具備在其他領域的應用潛能。

      凈化的水

      MOF是一種多孔材料,其單位表面積超過所有已知材料。僅一茶匙體積的MOF材料表面積,就相當于一個足球場那么大。而MIL-53則是一種特殊的MOF,再加入聚螺吡喃丙烯酸酯(PSP)后,就成為這種名為PSP-MIL-53的光敏MOF材料。

      ▲該研究的第一作者、廈門大學環境與生態學院副教授、博導區然雯,王煥庭教授供圖

      每千克光敏MOF材料可持續凈化出40加侖(約151升)飲用水,其水質甚至比WHO建議的優質飲用水標準還要干凈,實現低于百萬分之500(500ppm)的溶解性總固體(TDS)。據WHO建議,優質飲用水的溶解性總固體應該低于百萬分之600(600ppm)。

      上述光敏MOF材料的又一大優勢是,可循環再利用。王煥庭告訴紅星新聞記者,在中午太陽光最強時,4分鐘的光照就可實現洗出吸附的鹽分,使之可以循環再利用。而且,洗出鹽分并非必須依賴太陽光。王煥庭團隊使用實驗室燈光也可將其洗凈,只是耗時稍長,約30分鐘至1小時。

      這種材料是如何設計出來的?“先有應用,然后才有意識地設計了這種材料。”王煥庭告訴記者,他一直在研究膜材料和納米材料在不同領域的應用,對水的相關研究也做了很多年。

      早在兩年前(2018年),王煥庭和其團隊曾設計了一種溫度敏感的多孔材料來吸附鹽分,再用熱水將鹽分洗出來,以便重復使用材料。而這一次的突破性研究則是將光響應的高分子材料裝進多孔材料,實現用光來洗出鹽分。因此,王煥庭表示,這次的研究成果是“組里這么多年積累的結果,是一種水到渠成。”

      材料高效、節能且可持續

      過去幾十年來,科學家們一直致力于解決人類的安全飲用水問題,也成功研發了一些有效的凈水方式,但這些方式卻因能耗問題而難以在一些缺乏穩定供電的地區推廣。

      海水和鹽水的淡化及凈化是獲得干凈淡水的方式之一。據王煥庭介紹,目前海水淡化或低濃度鹽水淡化的大規模應用主要是通過兩種方法,即反滲透膜及熱法脫鹽。其中,使用反滲透膜的方法存在能耗大、不環保和成本高的問題。這種把海水變成淡水的方法非常耗電,而且只能獲得40%的淡水。從效率上來講,當鹽的濃度越來越高的時候,脫鹽的能耗就越大。因此,剩下的60%濃鹽水又被重新放回大海。如果濃鹽水的分散放回做得不好,周圍的海水濃度就會提高,影響周圍海洋生物的生長。

      ▲在黑暗及光照條件下,材料的吸附及洗出,圖據inverse

      此外,這種凈水方式需要大規模的設備,建廠成本很高。墨爾本一個此類的海水淡化工廠投資高達334億澳元,而這種涉及大規模設備的凈水方式還需要后期投入高昂的維護費用。

      工業上另一個大規模應用的熱法脫鹽法,也能耗巨大。

      與這些方法相較而言,使用光敏MOF材料凈水“不需要設備,不耗能,維護成本低。” 王煥庭指出,如果這個材料能真正地產業化,就可以解決部分人口的用水問題。

      具備其他領域的應用潛能

      據了解,這項研究成果一經發布就引發了多方關注。王煥庭告訴紅星新聞記者,沙特及其他幾個國家已經聯系了團隊,一些邊遠地區有飲用水問題的人也紛紛前來咨詢。王煥庭團隊近日還收到美國一個小島的居民來信,咨詢這種材料什么時候能進入市場,讓顧客得以購買。

      不過,從實驗室的一個原理性實驗到工業上應用的產品,這中間還需要一個過程。王煥庭表示,目前已申請了專利,下一步要做的是——材料在不同環境中應用的穩定性、耐久性測試。

      新材料在實際應用中還有很多具體問題,比如,用于凈化的是什么樣的水,水里除了鹽分,是否有別的雜質。而這些雜質對這種材料的性能是否有影響。王煥庭估計,“問題應該不是很大”,但還是需要以科學研究得出結論。

      此外,這種光敏MOF材料吸附“鹽分”只是一種廣義的說法,它實際具備對離子的吸附能力。水里如汞、銅等一些對人體不好的元素也是以離子的形式存在,從原理上來說也能被它吸收,只是還沒有測試出究竟能吸多少。

      值得關注的是,一種材料進行大規模應用還需考量如何做才能更便宜,其成本市場能否接受。因此,總體來講,光敏MOF材料距離應用還有一定的距離。

      除了凈水,這種材料在采礦和其他領域也具備應用潛能。王煥庭向紅星新聞記者透露,對材料做一些改進,實現對某一種離子的選擇性吸附,就可以將其應用在其他領域。如在礦業中,可以使用MOF材料以吸附的方法提取出鋰。礦業中現有的一些吸附劑在吸附完之后需要用化學品洗出鋰,而這個過程會導致二次污染。如果光敏或熱敏MOF材料進行吸附,其洗出過程不使用化學品,具備很大的環保價值,成本也更低。

      責任編輯:hnmd003

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