Science: 一种快速、高效、选择性的海水净化膜

诸平

Reducing the energy and thus financial cost, as well as improving the simplicity of water desalination, could help communities around the world with poor access to safe drinking water. Credit: © 2022 Itoh et al.

据日本东京大学（University of Tokyo）提供2022年5月12日提供的消息，利用一种快速、高效、选择性的海水净化膜，可以实现海水淡化，它是否就是海水淡化的未来呢？（The future of desalination? A fast, efficient, selective membrane for purifying saltwater）

水资源短缺在世界范围内是一个日益严重的问题。海水淡化是一种生产饮用水的既定方法，但会带来巨大的能源成本。研究人员首次使用基于氟的纳米结构（fluorine-based nanostructures）成功地过滤水中的盐。与目前的海水淡化方法相比，这些氟纳米通道（fluorous nanochannels）工作速度更快，需要的压力和能量更少，是一种更有效的过滤器。只有降低能源和财务成本，以及提高海水淡化的简易性，方可帮助世界各地难以获得安全饮用水的社区破解水资源短缺之难题。

如果你曾经用过聚四氟乙烯涂层的不粘锅（Teflon-coated frying pan）烹饪，那么你可能看到过潮湿的食材很容易就会滑过锅。这是因为聚四氟乙烯的关键成分是氟，它是一种轻质元素，具有天然的疏水性。聚四氟乙烯还可以用来铺设管道，以提高水的流量。这种行为引起了東京大學化学与生物技术系（Department of Chemistry and Biotechnology at the University of Tokyo）副教授伊藤 喜光(Yoshimitsu Itoh)及其团队的注意。这启发了他们去探索由氟制成的管道或通道如何在一个非常不同的尺度(纳米尺度)上运作的。

伊藤 喜光说：“我们很想知道氟纳米通道在选择性过滤不同化合物方面的有效性，特别是水和盐。在运行了一些复杂的计算机模拟之后，我们认为花时间和精力创建一个工作样本是值得的。目前有两种脱盐的主要方法:其一是加热法，使用热量蒸发海水，使其凝结成纯水；另一种是膜分离法，即通过反渗透（ reverse osmosis），使用压力迫使水通过一层膜（membrane ），阻止盐通过达到脱盐之目的。这两种方法都需要大量能量，但我们的测试表明，氟纳米通道不仅只需要很少的能量，而且还有其他好处。”

该团队通过化学合成纳米氟环（nanoscopic fluorine rings）来制造测试滤膜，这些氟环堆叠并嵌入在一个不透水的脂质层中，类似于组成细胞壁的有机分子（ organic molecules）。他们制作了几种具有大约1~2 nm的纳米环测的测试样品。作为参考，一根人类的头发差不多有10万纳米宽。这意味着，他们合成的纳米环的宽度仅仅只有一根人头发直径的10万分之一到10万分之二（1×10^-5~2×10^-5）。为了测试此合成膜的有效性，伊藤 喜光和他的团队在测试膜的两侧测量氯离子的存在，氯离子(Cl^-)是盐（NaCl）的主要成分之一，另一个是钠(Na⁺)。

伊藤 喜光说：“能亲眼看到这些结果非常令人兴奋。我们的测试通道中较小的通道可以完美地拒绝进入的盐分子，而较大的通道与其他脱盐技术甚至尖端的碳纳米管过滤器（carbon nanotube filters）相比仍然是一个改进。真正让我惊讶的是这个过程发生得如此之快。我们的样品工作速度比典型工业设备快几千倍，比基于碳纳米管的脱盐设备快约2400倍。”

相关研究结果于2022年5月12日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota, Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V. Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato, Takuzo Aida. Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface. Science, Published（Web） 12 May 2022, 376 (6594): 738-743. DOI: 10.1126/science.abd0966. http://www.science.org/doi/10.1126/science.abd0966

由于氟具有强负电性，它排斥盐中的氯等负离子（negative ions）。但这种消极性的一个额外好处是，它也会破坏所谓的水簇（water clusters），水簇本质上是松散结合的水分子群，通过破坏水簇以便水分子更快地通过通道。该团队的研制的氟基水脱盐膜更有效，速度更快，操作所需的能量更少，而且使用起来也非常简单，那么还有什么问题呢?

“目前，我们合成材料的方式本身是相对能源密集型的;然而，我们希望在接下来的研究中改进这一点。而且，考虑到膜的寿命和低运营成本，总体能源成本将比目前的方法低得多。”伊藤 喜光说，“我们希望采取的其他措施当然是扩大规模。我们的测试样本是单个纳米通道，但在其他专家的帮助下，我们希望在几年内制造出直径约1米的薄膜。在考虑这些制造问题的同时，我们也在探索是否可以使用类似的膜来减少工业释放的二氧化碳或其他不良废物。”

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。

海水淡化加快了步伐(Water desalination picks up the pace)

Fluorine for faster water transport

Typically, as the diameter of a pipe or channel is shrunk, the flow rate per cross-sectional area will decrease because of the greater surface area to volume ratio. Itoh et al. designed a series of fluorous oligoamide nanorings that undergo supramolecular polymerization to form nanochannels with dense packing of organofluorine groups (see the Perspective by Shen). The intense electronegativity disrupts the formation of water clusters, so that individual water molecules flow through the smallest channels faster than through larger ones. Chloride ions are strongly repelled and cannot travel through the channels. —MSL

Abstract

Ultrafast water permeation in aquaporins is promoted by their hydrophobic interior surface. Polytetrafluoroethylene has a dense fluorine surface, leading to its strong water repellence. We report a series of fluorous oligoamide nanorings with interior diameters ranging from 0.9 to 1.9 nanometers. These nanorings undergo supramolecular polymerization in phospholipid bilayer membranes to form fluorous nanochannels, the interior walls of which are densely covered with fluorine atoms. The nanochannel with the smallest diameter exhibits a water permeation flux that is two orders of magnitude greater than those of aquaporins and carbon nanotubes. The proposed nanochannel exhibits negligible chloride ion (Cl^-) permeability caused by a powerful electrostatic barrier provided by the electrostatically negative fluorous interior surface. Thus, this nanochannel is expected to show nearly perfect salt reflectance for desalination.