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碳纳米材料成海水淡化关键

来源:香港开奖现场结果直播 发布时间:2019-10-09 15:23:33


  人类的生存离不开水。随着人口增加、气候变化和经济发展,人类社会对水的需求持续增加,因此,有效地利用有限的水资源成为亟需解决的课题。目前,以非洲和亚洲为中心,有11多亿人无法确保安全的饮用水。尤其是农业用水不足,约有9亿人因此而无法获得足够的粮食。工业废水和资源生产现场的水污染问题也需要认真对待。
  日益严重的缺水问题,碳纳米材料是关键
  在信州大学COI(Center Of Inovation)基地担任项目组长的日立制作所技术顾问都筑浩一表示:“我们的目标是开发出能将各种水源低成本地变成清洁淡水的技术,构筑能让人们安全和健康生活的水循环社会”。如果能有效去除海水和地下水中的杂质,可使用水量就会增加。目前世界上有很多人因为饮用不卫生的水而丧生,如果能确保清洁富足的用水,人类的平均寿命据推测还可再延长大约2年。
  作为生产清洁用水的关键技术之一,信州大学COI基地正在开发使用碳纳米材料的水处理膜。碳纳米是最前沿的先进碳材料,非常强韧结实,具有优异的导电性、导热性和化学性质。领导COI基地进行开发的是,信州大学的特别特任教授远藤守信。远藤教授是实现碳纳米材料中的管状碳材料“碳纳米管(CNT)”量产技术的第一人。他说:“我有一种强烈地直觉,碳纳米膜研究能带来巨大的技术创新”。

碳纳米材料成海水淡化关键

  参与信州大学COI基地项目的有经营碳纳米材料、水处理膜和海水淡化设备的企业,以及擅长研究计算机化学的研究机构等。COI基地项目通过整合各企业和机构所拥有的世界顶级技术,开发具有创新功能和性能的水处理膜及其应用系统,掀起“水创新”浪潮。
  在信州大学的核心设施——信州大学国际科学创新中心内,以影像和展板的方式介绍了COI基地概要和研究成果。图片前部为实现未来水创新的立体模型。在沙漠上设置了海水淡化设备、产出水处理设备、盐水处理设备和水处理再生设备等,沙漠中诞生出高楼商业区、度假区、住宅区及农业地区,构成了可持续发展的城市。
  难点是杂质堵塞,期待开发耐污薄膜
  为实现丰富的水源,受到关注的是占地球总水量97%以上的海水。海水淡化技术中,有一种被称为“反渗透膜(RO膜)法”,利用了渗透压原理的技术。拥有无数细孔的膜只让水分子通过,从而滤除海水中的盐分等杂质,实现从海水中分离出淡水。
  拥有无数直径约0.5纳米(1纳米为10亿分之1米)细孔的膜只能通过水分子,无法通过杂质。在这种膜的左右两侧分别放入淡水和海水,为达到相同浓度,淡水侧的水分子会流入至海水侧。此时,膜上会产生基于浓度的渗透压,此时向海水侧施加比渗透压更高的压力,则海水中的水分子会透过膜移动到淡水侧,这种现象被称作“反渗透”现象。
  能源效率高且操作简单的RO膜法是目前海水淡化技术的主流。尤其以严重缺水的中近东各国为主,很多地区都有利用RO膜的海水淡化工厂。这个技术有个缺点是,海水中的矿物质和微生物等非盐杂质如果堆积在膜的表面,会发生堵塞(结垢),从而导致造水性能下降。因此需要定期清洗,但清洗剂中的氯成分会损害过滤膜。
  另外,过滤海水需要大量电力加压,所以发展中国家和地区未必能够导入。所以人们期待能有一种拥有耐污结实的过滤膜,并且能低成本淡化海水的水处理设备。
  实验和计算机化学齐头并进,明确材料设计方针
  作为抑制结垢的撒手锏,备受期待的是CNT。RO膜通常使用名为聚酰胺(PA)的高分子膜材料制作。混合CNT后,会改变PA的细孔结构和电子状态,防止盐分侵入,从而实现让更多的水分更加容易通过的性能。
  不过,以往的研究只能混合0.1%左右的CNT。要使CNT顺利分散,并在PA中均匀分布是十分困难的事情。
  远藤教授介绍说:“只混合极少量的CNT,无法充分发挥出CNT的优异特性”。 “我们预想,增加CNT混合量,应该能制作比以往的膜更结实耐污,可以通过更多水的薄膜”。最终通过融合高度分离CNT纤维的技术和传统的成膜技术,实现了独特的纳米复合膜成膜技术,并于2015年成功开发出了在PA中均匀分散以往百倍以上CNT的“碳纳米复合RO膜”,而且取得了专利。正如远藤教授预想的那样,这种过滤膜不但实现了高耐结垢性和透水性,而且还具备耐氯性和耐清洗特性。由于产品寿命得到延长,维护费用也相应减少。

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