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文章来源:中国科学技术大学    发布时间: 2020-08-24 04:33  【字号:      】

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  原标题:净化海水30分钟后就能喝?中澳科学家这项研究,或将解决全球饮用水危机

  干净的饮用水是人类赖以生存的重要资源。然而,全球超过20亿人喝不到干净水,因此面临着感染致死性疾病的风险。据WHO显示,随着气候危机加剧,到2025年全球一半的人口将生活在水资源紧张的地区。

  现在有了一种最新的净水技术:将一个乒乓球一样的材料放进一桶水中晃一晃,就能吸进水中的盐分及其他杂质,净化出安全可饮用的水。再放一些干净的水,把它放在太阳底下晒几分钟、晃一晃,就能再次用于净水。

  这就是《自然·可持续发展》(Nature Sustainability)杂志8月10日发表的最新研究。该研究由澳大利亚蒙纳士大学教授王焕庭带领团队研发而成,而研究的第一作者为厦门大学环境与生态学院副教授、博导区然雯。这是一种光敏MOF材料PSP-MIL-53,通过吸附的方法,可在30分钟内将海水淡化为安全、干净的饮用水,将有望在水资源短缺地区解决安全饮用水问题,极大造福人类。

  近日,红星新闻记者联系上了王焕庭教授,他介绍了这种材料用于净水的诸多优势,并具备在其他领域的应用潜能。

  净化的水比WHO建议标准还干净

  MOF是一种多孔材料,其单位表面积超过所有已知材料。仅一茶匙体积的MOF材料表面积,就相当于一个足球场那么大。而MIL-53则是一种特殊的MOF,再加入聚螺吡喃丙烯酸酯(PSP)后,就成为这种名为PSP-MIL-53的光敏MOF材料。

  每千克光敏MOF材料可持续净化出40加仑(约151升)饮用水,其水质甚至比WHO建议的优质饮用水标准还要干净,实现低于百万分之500(500ppm)的溶解性总固体(TDS)。据WHO建议,优质饮用水的溶解性总固体应该低于百万分之600(600ppm)。

  上述光敏MOF材料的又一大优势是,可循环再利用。王焕庭告诉红星新闻记者,在中午太阳光最强时,4分钟的光照就可实现洗出吸附的盐分,使之可以循环再利用。而且,洗出盐分并非必须依赖太阳光。王焕庭团队使用实验室灯光也可将其洗净,只是耗时稍长,约30分钟至1小时。

  这种材料是如何设计出来的?“先有应用,然后才有意识地设计了这种材料。”王焕庭告诉记者,他一直在研究膜材料和纳米材料在不同领域的应用,对水的相关研究也做了很多年。

  早在两年前(2018年),王焕庭和其团队曾设计了一种温度敏感的多孔材料来吸附盐分,再用热水将盐分洗出来,以便重复使用材料。而这一次的突破性研究则是将光响应的高分子材料装进多孔材料,实现用光来洗出盐分。因此,王焕庭表示,这次的研究成果是“组里这么多年积累的结果,是一种水到渠成。”

  材料高效、节能且可持续

  过去几十年来,科学家们一直致力于解决人类的安全饮用水问题,也成功研发了一些有效的净水方式,但这些方式却因能耗问题而难以在一些缺乏稳定供电的地区推广。

  海水和盐水的淡化及净化是获得干净淡水的方式之一。据王焕庭介绍,目前海水淡化或低浓度盐水淡化的大规模应用主要是通过两种方法,即反渗透膜及热法脱盐。其中,使用反渗透膜的方法存在能耗大、不环保和成本高的问题。这种把海水变成淡水的方法非常耗电,而且只能获得40%的淡水。从效率上来讲,当盐的浓度越来越高的时候,脱盐的能耗就越大。因此,剩下的60%浓盐水又被重新放回大海。如果浓盐水的分散放回做得不好,周围的海水浓度就会提高,影响周围海洋生物的生长。

  此外,这种净水方式需要大规模的设备,建厂成本很高。墨尔本一个此类的海水淡化工厂投资高达334亿澳元,而这种涉及大规模设备的净水方式还需要后期投入高昂的维护费用。

  工业上另一个大规模应用的热法脱盐法,也能耗巨大。

  与这些方法相较而言,使用光敏MOF材料净水“不需要设备,不耗能,维护成本低。” 王焕庭指出,如果这个材料能真正地产业化,就可以解决部分人口的用水问题。

  具备其他领域的应用潜能

  据了解,这项研究成果一经发布就引发了多方关注。王焕庭告诉红星新闻记者,沙特及其他几个国家已经联系了团队,一些边远地区有饮用水问题的人也纷纷前来咨询。王焕庭团队近日还收到美国一个小岛的居民来信,咨询这种材料什么时候能进入市场,让顾客得以购买。

  不过,从实验室的一个原理性实验到工业上应用的产品,这中间还需要一个过程。王焕庭表示,目前已申请了专利,下一步要做的是——材料在不同环境中应用的稳定性、耐久性测试。

  新材料在实际应用中还有很多具体问题,比如,用于净化的是什么样的水,水里除了盐分,是否有别的杂质。而这些杂质对这种材料的性能是否有影响。王焕庭估计,“问题应该不是很大”,但还是需要以科学研究得出结论。

  此外,这种光敏MOF材料吸附“盐分”只是一种广义的说法,它实际具备对离子的吸附能力。水里如汞、铜等一些对人体不好的元素也是以离子的形式存在,从原理上来说也能被它吸收,只是还没有测试出究竟能吸多少。

  值得关注的是,一种材料进行大规模应用还需考量如何做才能更便宜,其成本市场能否接受。因此,总体来讲,光敏MOF材料距离应用还有一定的距离。

  除了净水,这种材料在采矿和其他领域也具备应用潜能。王焕庭向红星新闻记者透露,对材料做一些改进,实现对某一种离子的选择性吸附,就可以将其应用在其他领域。如在矿业中,可以使用MOF材料以吸附的方法提取出锂。矿业中现有的一些吸附剂在吸附完之后需要用化学品洗出锂,而这个过程会导致二次污染。如果光敏或热敏MOF材料进行吸附,其洗出过程不使用化学品,具备很大的环保价值,成本也更低。

  红星新闻记者 王雅林 林容

  



(责任编辑:钦黎明)

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