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膜分离 碳 海淡膜
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研究人员正在研究海水脱盐中的矿物结垢问题 为海水淡化疏通“管道”
水处理科技 / 时间:2022-02-17 22:44:27

贤集网2月17日讯:煮沸的水会在你曾经闪亮的铝制水壶的内表面留下黑色的矿物质沉淀物——任何一点醋和小苏打都擦不掉。这些难看的矿物污渍不仅令人讨厌,而且是大家向数十亿人提供数十亿加仑水的能力的主要障碍。

海水淡化技术是一种从海水、内陆咸水或废水等咸脏水源中提取清洁水的技术,在全球范围内越来越受欢迎,全球有18000多家工厂在运营。它采用了一种被称为反渗透的物理原理,在这种原理中,污水在非常高的压力下被推过一层膜,膜上的孔隙太小,无法通过比头发宽度小很多倍的东西。将干净的水从含盐的副产品中分离出来,然后重新开始这个过程。

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在水壶上形成的矿物鳞片也会在这些特殊的膜上大量形成,堵塞膜的孔隙,大大降低整个过程的效率。膜必须经常更换或清洗,这增加了成本,阻碍了海水淡化技术在应对全球缺水挑战中发挥主导作用的能力。

在脱盐应用中,膜表面的矿物结垢是一个高度技术性的问题,科罗拉多州立大学土木与环境工程系助理教授佟铁正(Tiezheng Tong)过去几年一直在努力解决这个问题。

他和他的学生在斯科特生物工程大楼内的一个实验室里辛勤工作,他们正在进行实验,并揭示了在脱盐过程中为什么会发生这种矿物结垢,以及在不同类型的矿物中形成结垢的机制。随着工程师们专注于解决方案,他们也在忙着开发新的方法来解决这个问题,无论是发明不同的膜,还是测试新的添加剂溶液,使膜在不牺牲水质的情况下更耐结垢。

建筑水弹性

“大家希翼大家的水利基础设施能够适应气候变化,如果地表水耗尽,大家需要一个后备系统来为社会提供足够的水……如果大家想实现这一目标,大家面临很多挑战,包括矿物结垢问题。这是大家的一个小领域,大家正在研究这些高盐度盐水处理工艺。这可能是提取过程中最具挑战性的部分之一从非常规来源提取水。"Tong说。他在耶鲁大学担任博士后,在环境工程领域的杰出学者Menachem Elimelech的带领下于2017年加入CSU。“

Tong将他的实验室在海水淡化和膜科学方面的专业常识提供给国家水创新联盟(NAWI),该联盟由能源部牵头,耗资1.1亿美金,汇集了数百名科学家,以解决与当前海水淡化技术相关的各种问题。他们的目标是使海水淡化技术与从湖泊、河流和含水层等遭受旱灾的传统水源中提取淡水的技术相媲美,甚至更便宜。

通过由CSU研究人员发挥主导作用的NAWI伙伴关系,Tong的实验室最近得到了范德比尔特大学研究人员的资助,以支撑基于电渗析的高盐脱盐盐水处理方法的开发。

使海水淡化成为城市和国家的可行选择所面临的挑战是多层次的:在建设和维护大型反渗透海水淡化厂方面的经济挑战以及环境挑战,在这种情况下,水处理过程中留下的高盐度盐水会对水生生态系统造成严重的破坏性污染。

Tong认为,解决矿物结垢这一非常具体的问题可能会产生积极的连锁反应,降低海水淡化的总体成本,让更多的工厂上线,为解决危险盐水副产品的环境影响等相关问题带来新能源。

矿物结垢问题是一个工程问题,但它也涉及纯化学,需要确切了解哪些无机分子在表面形成,以及为什么。通过这种方式,这个课题吸引了Tong的多方面实验室。

Tong说,使用薄膜除垢,有很多基本问题需要理解。有化学反应、动力学和热力学。在大学环境中,大家试图突破科学的界限,这是在这种背景下工作令人兴奋的一部分。在寻求脱盐技术面临的真正问题的答案之前,大家有很多事情要解决。

三种策略

Tong经营着一个实验室,重点研究三种改进膜式海水淡化的策略。首先,工程师们正试图改变工业膜的表面,以引发不同的化学反应,并使其对矿物结垢更具弹性。

第二,他们正在研究使用一种名为“防垢剂”的特殊化学药剂,这种药剂可以少量添加到未经处理的水中,并会阻碍水垢的形成。

第三是工艺创新,即重新思考或改进负责最先进膜脱盐的整个工业系统的想法。

最近,Tong实验室越来越关注推力2,即完善防垢剂以保护生产清洁水的膜的想法。他们最近的一项见解发表在《环境科学与技术》上,概述了石膏和二氧化硅这两种主要结垢剂在分子水平上的不同行为。石膏是通过结晶过程形成的,而二氧化硅是通过聚合形成的。这些不同的机制需要两种具有不同化学官能团的防垢剂,无论是带负电荷的还是带正电荷的。

领导抗垢剂研究的四年级博士生尹一鸣说,阐明这些矿物质在膜表面形成方式之间的差异表明,找到一种处理各种咸水或微咸水的解决方案非常复杂。

“目前,大家已经对石膏和二氧化硅的行为有了基本的了解,现在大家想继续说,大家可以用什么样的策略来缓解它们?”尹说。

Tong的学生还利用了他们新发现的石膏化学行为的常识。他们以石膏为代表,试验了反渗透和膜蒸馏技术的结合。膜蒸馏是另一种脱盐技术,即使在存在高浓度石膏的情况下,也能通过加热实现纯水回收。

虽然反渗透是行业标准做法,也是最成熟的脱盐技术,但它在可处理的水的盐度方面有着严格的限制。换言之,稍微脏一点、含盐的水是没有问题的,但一旦这些含盐、含盐的浓缩物达到每升盐70000毫克,就很难推动水通过膜,系统就会崩溃。这就是膜蒸馏能够完成这项工作的时候,这就是为什么Tong的团队认为,结合这两种技术的处理系列可能是让更多工厂上线并降低成本的关键。通过使用防垢剂,Tong的团队最近从含石膏的盐水中实现了非凡的水回收,他们的发现发表在《膜科学杂志》上。

Ronny Minjarez是该实验室的三年级本科生,他与人合著了这两本关于除垢问题的出版物。他说,他很高兴有机会研究对地球未来具有如此重要影响的技术。

随着水源越来越紧张,海水淡化将对未来产生很大影响。因此,这些技术将变得更加重要。


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