一名学生的使命:保护世界上最珍贵的资源

诸平

Seawater desalination using membrane processes. Credit: Johnson Effoe Efome

Graphical abstract

据渥太华大学（University of Ottawa）2021年8月25日提供的消息，该校化学与生物工程系的博士候选人胡曼·查马尼(Hooman Chamani)的动机只有一件事:以环保的方式解决全球水危机。这听起来很简单，但直到最近，事实并非如此。

现在，多亏了他与渥太华大学化学与生物工程系的二位教授克里斯托弗·兰博士（Dr. Christopher Lan）和松浦武史博士（Dr. Takeshi Matsuura），以及他们的研究团队，还有乔安妮·沃罗辛（Joanne Woloszyn）和迪帕克·拉纳博士（Dr. Dipak Rana）的合作，研究出一种对自然友好且在商业上可行的解决方案，改进了目前已经被确定的脱盐技术（desalinization techniques）。他们的研究成果《膜蒸馏中的孔隙润湿:综合评述》（Pore wetting in membrane distillation: A comprehensive review）于2021年7月9日已经在著名的科学杂志《材料科学进展》（Progress in Materials Science）网站上发表，并将商业化的“膜蒸馏”确定为清洁饮用水（drinkable water）的绿色解决方案。详见Hooman Chamani, Joanne Woloszyn, Takeshi Matsuura, Dipak Rana, Christopher Q. Lan. Pore wetting in membrane distillation: A comprehensive review. Progress in Materials Science, Available online 9 July 2021. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2021.100843. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100843

该研究的第一作者胡曼·查马尼解释说:“通过大规模商业化的膜蒸馏，我们可以朝着解决水危机（water crisis）的方向前进。”

蓝色的地球（The Blue Planet）

虽然地球主要被水覆盖，但天然淡水的可得性相对较低，仅占其水圈的2.5%，其余97.5%是咸水（saline water）。随着全世界人口的增长，对水的需求也在增长，这给有限的水资源带来了巨大的压力。

胡曼·查马尼解释说：“全世界有20多亿人无法获得安全饮用水。即使在淡水资源丰富的加拿大，你也会发现一些地区依然缺水。城市化和工业化等人类活动污染了现有的淡水储备，加剧了水危机这个问题。此外，近几十年来由于全球变暖而导致的天气变化，在很大程度上导致了全球水资源短缺局势的恶化。”

海水淡化（seawater desalination）是将盐水中的盐分和矿物质去除以获得淡水的过程。共同通讯作者之一克里斯托弗·兰说：“最先进的海水淡化技术是反渗透。然而，这项技术的一个主要缺点是不能淡化高浓度盐水(brines)。另一种脱盐的替代方法就是膜蒸馏（membrane distillation），它能更好地处理高盐溶液。”

膜孔润湿（Membrane pore wetting）

那么，如果膜蒸馏是获得清洁水的更好的方法，为什么它还没有被广泛地商业化呢?根据研究人员的说法，膜蒸馏最主要的缺点被称为“膜孔润湿”。

另一位共同通讯作者松浦史石说：“如果这个问题得到解决，很有可能膜蒸馏将取代反渗透，成为海水淡化的首选技术。我们一直在努力使膜蒸馏在商业上更可行，特别是通过从根本上解决孔润湿问题。在这篇综述文章中，我们全面回顾了近年来的防止膜孔被湿发展，包括我们自己的研究结果。在我们的综述中，我们讨论了膜孔润湿的所有方面，这是膜蒸馏最关键的挑战，以本领域最先进的知识提供更好的洞察力。”

对我们和环境都是安全的（Safe for us and the environment）

胡曼·查马尼说:“反渗透的废盐水浓度很高，其处理对环境来说是一个严峻的挑战。因此，使用商业化的膜蒸馏技术处理高盐卤水不仅有助于为更多人提供饮用水，还有助于管理卤水和保持环境安全。”但这项任务并非那么简单。

克里斯托弗·兰博士总结道:“经过多年的研究，我们小组确定了膜蒸馏中最关键的问题之一是孔隙润湿。”胡曼·查马尼(Hooman Chamani)对这个问题提出了挑战，并发表了一些具有重大影响的出版物。他是我们实验室里最好的博士生之一，他的目标只有一个:通过将膜蒸馏大规模商业化来找到解决水危机的方法。这就是一名学生的使命：为保护世界上最珍贵的资源而战（One student's mission to protect the world's most precious resource）。上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Membrane distillation (MD) is an emerging technology for the desalination of brines. In some cases, liquid penetrates into the pores of the membrane, causing pore wetting. MD’s commercialization is hindered largely due to the occurrence of pore wetting phenomena since it results in the reduction of flux and/or permeate quality. Hence, it is of crucial importance for MD to prevent pore wetting from occurring. In this paper, the methods of detecting pore wetting and the membrane parameters related to this phenomenon are reviewed and possible sources of MD pore wetting occurrence are identified. Moreover, the methods to prepare membranes specifically designed for the mitigation of membrane wetting, such as the design of membrane materials, membrane surface modification, preparation of nanocomposite membranes by the addition of nanoparticles, dual-layered membranes, and membranes with a re-entrant structure are discussed. Finally, process-based approach for wetting mitigation, mainly by the pretreatment of the feed solution, is elucidated, and models for wetting phenomena are also outlined. Thus, attempts are made in this review to discuss all aspects of the pore wetting of MD membranes.