淡水稀缺与过滤技术的未来

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水是一种可再生资源,但不是无限的。在全球各地,各种社区和国家都在努力寻找足够的淡水供应。

就在最近,美国加州政府宣布进入紧急状态,此前连续四年干旱并在全州范围内限制用水。自2011年以来,加州最大的两个水库的地表面积已经恢复减少了一半。该地区更令人担忧的是米德湖现状这里是2000万人的主要含水层,过去14年一直处于干旱之中。水库已降至其全部容量的五分之二,目前的水位只有80英尺,两条主要的取水通道——向加利福尼亚、亚利桑那、内华达和墨西哥供水——将无法使用。

为了解决日益严重的淡水短缺这一全球性问题,科学家和工程师们正在寻找更好地利用可用水资源的方法。有两种主要的方法可以做到这一点:从海水中除去盐(或淡化),或回收使用过的水。海水淡化和水回收都需要使用专门的过滤器,但目前的方法既昂贵又耗能。

为了解决这个问题,科学家们正在利用纳米技术创造更高效、更经济的过滤膜。

历史上,水过滤的挑战一直是一个规模问题。悬浮在水中的颗粒如果不进行处理就会对饮用造成危险,这些颗粒通常太小,无法用目前的商业化膜技术去除。即使可以去除这些粒子(包括病原体、细菌和某些离子(构成盐的带电原子)),为这一过程提供能量也要花费很多钱。

为了使水处理在商业上可行,水过滤器内的膜必须具有足够的渗透性,使大量的水能够轻松、快速地通过,同时又要足够小,有足够的选择性,以阻止不需要的分子通过,即使是小到单原子离子。

维持这种渗透和排斥的微妙平衡需要由高度工程材料制成的膜。目前,世界各地的科学家和工程师都在研究如何利用纳米技术——即碳纳米管——来改进现有的聚合物膜设计。科学家们希望,用纳米材料构建薄膜将提高去除这些微粒的效率,并降低操作成本。

重要的是,这种膜技术既适用于海水淡化,又适用于水循环,因为在一个社区有益的东西在另一个社区可能是不可能的。像加利福尼亚这样缺乏淡水但很容易进入海洋的沿海地区可以充分利用海水淡化来增加他们的水供应。然而,在像澳大利亚中部这样的内陆地区,从环境和经济两方面来说,回收已经拥有的水要比长途运输淡化海水更有意义。

为了更好地了解这些膜是如何工作的,有必要先了解目前的水处理方法。最常见的方法之一海水淡化是反渗透(RO),其中对处理过的海水施加压力,迫使其通过这阻碍了盐离子的交叉。然而,这个过程是昂贵的,因为它需要大量的能量来压水通过膜。

海水淡化是从自然中提取不可饮用的水,并将其转化为可消费的水,而水循环则是在污染水回归自然之前,将其重新利用。通常情况下,当水离开家庭或设施时,它会通过下水道,最终到达城市水处理厂。在那里,废水经过多个阶段的处理,在此期间固体碎片、微生物和不需要的微粒被去除。在此之后,处理过的水通常会被释放到附近的河流或湖泊中,而任何残留的污染物都会被大大稀释。

当水被回收直接使用时,它不再被排入淡水水体,而是经过一个长期的净化过程,以确保安全使用。在这个过程中,过滤器对于去除水中的污染物至关重要。这些微粒,如金属离子和细菌,都极其微小,但如果数量足够大,就会对健康造成威胁。为了从水中有效地去除这些颗粒,需要使用具有极细孔膜的过滤器。

使用纳米技术可以在很大程度上控制过滤膜的设计。科学家可以通过改变制造碳纳米管的化学物质的组成,将其直径控制在纳米级的精度之内。在微过滤的早期阶段,可能需要更大的直径来阻挡更大的分子。直径较小的过滤器具有更强的选择性,因此能够排斥小得多的离子。这种可改变的特性允许更多功能的过滤器范围,可用于水净化。碳纳米管滤水器

直径较小的过滤器在脱盐中特别重要。但是,即使是纳米技术也有其局限性。组成海盐的离子的半径在埃的尺度上,大约相当于一个氢原子的直径,比目前可以制造的纳米管要小得多。这就意味着,为了过滤掉不需要的离子,科学家们必须做的不仅仅是减小离子直径。

其中一种方法是改变纳米管开口的化学成分,使它们要么带正电荷,要么带负电荷。通过改变碳纳米管尖端的电荷,这些膜可以排斥某些离子,充当“看门人”,只让水通过。因为盐同时含有阳离子(带正电)和阴离子(带负电),所以需要多层膜来进行脱盐:一层过滤掉正电,一层过滤掉负电。

除了纳米管过滤器的多功能性外,这些新膜比目前使用的高能量密集型水处理应用(使用高压水)所需的电力更少。碳纳米管的内部可以是疏水的。这就限制了水分子和纳米管壁之间的摩擦力,使得水可以很容易地通过。

目前,这项技术正在实验室进行小规模测试,在商业上并不可行。但是,通过持续的研究,科学家和工程师们计划让这些膜在大的商业水平上运行。随着世界各地越来越多的社区面临水危机,资助这类研究的呼声将越来越高。虽然这些研究人员中的许多人专注于海水淡化的应用,但这项技术在水循环方面也有很好的前景。

最终,现在投资于膜技术将为我们未来的清洁淡水变得越来越稀缺做好准备。随着膜技术的改进,我们有更多的方法来充分利用我们拥有的水资源。

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