消除傳統海水淡化廠的酸鹼處理可在全球範圍內節省數十億美元，使海水成為更具成本效益的飲用水來源。海水淡化廠可能很快就能通過使用新的碳布電極去除海水中的硼來消除昂貴化學品的使用，這是確保海水安全飲用的重要步驟。密歇根大學和萊斯大學的工程師在《自然水》雜誌上發表的一項研究詳細介紹了這項技術。
密歇根大學化學工程與高分子科學與工程助理教授喬萬·卡姆切夫（Jovan Kamcev）將濾膜放置在兩個電極之間，以測量濾膜的導電性能。這有助於他的團隊預測濾膜的凈水效果。圖片來源：密歇根工程學院馬辛·斯澤潘斯基（Marcin Szczepanski）
硼是海水中天然存在的元素，當它經過標準的除鹽過濾器時，就會變成飲用水中的有毒污染物。海水中的硼濃度約為世界衛生組織規定的飲用水最寬鬆安全限值的兩倍，是許多作物所能耐受濃度的5到12倍。
密歇根大學化學工程與高分子科學與工程助理教授喬萬·卡姆切夫（Jovan Kamcev）正在將碳布電極插入用于海水淡化的流動池中。圖片來源：密歇根工程學院Marcin Szczepanski
為什麼目前的過濾器存在缺陷
「大多數反滲透膜去除的硼並不多，因此海水淡化廠通常需要進行一些後處理來去除硼，這可能會很昂貴，」密歇根大學化學工程和大分子科學與工程助理教授、該研究的共同通訊作者約萬·卡姆切夫（Jovan Kamcev）說道。「我們開發了一種新技術，它具有相當高的可擴展性，並且與一些傳統技術相比，它能夠以節能的方式去除硼。」
在海水中，硼以電中性的硼酸形式存在，因此它會通過反滲透膜，而反滲透膜通常通過排斥帶電的原子和分子（稱為離子）來去除鹽分。為了解決這個問題，海水淡化廠通常會在處理過的水中添加一種鹼，使硼酸帶負電。反滲透的另一個階段會去除新帶電的硼，之後再通過添加酸來中和鹼。這些額外的處理步驟可能成本高昂。
研究人員電極中的碳布纖維經酸處理後，獲得了能夠捕獲硼的含氧特性。圖片來源：密歇根大學卡姆切夫研究實驗室的約萬·卡姆切夫
萊斯大學博士後研究員、該研究的共同第一作者潘偉一表示：「我們的設備減少了海水淡化對化學和能源的需求，顯著提高了環境可持續性，並將成本降低了 15%，即每立方米處理水約 20 美分。」
全球節約和水資源獲取
鑒於2019年全球海水淡化產能總計9500萬立方米/日，新型膜每年可節省約69億美元。大型海水淡化廠，例如聖地亞哥的克勞德·「巴德」·劉易斯卡爾斯巴德海水淡化廠，一年可節省數百萬美元。
這些節約措施有助於使海水成為更易獲取的飲用水來源，並緩解日益嚴重的水危機。根據全球水資源經濟學委員會2023年的一份報告，預計到2030年，淡水供應將滿足40%的需求。
新型電極通過將硼捕獲在布滿含氧結構的孔隙中來去除硼。這些結構專門與硼結合，同時允許海水中的其他離子通過，從而最大限度地提高它們對硼的捕獲量。
該圖展示了研究人員的電極如何去除硼。首先，大部分鹽離子通過反滲透去除。然後，水流入一個包含膜的單元，該膜由正極（粉色）和負極（橙色）組成。帶相同電荷的電極面向膜層，當電流通過時，膜界面處的水分子分解成氫離子和氫氧根離子。氫氧根離子粘附在硼上，使其粘附在正極上。圖片來源：密歇根大學卡姆切夫研究實驗室的Jovan Kamcev和萊斯大學伊利梅萊赫研究實驗室的Weiyi Pan
然而，硼捕獲結構仍然需要硼帶負電荷。它並非添加鹼，而是通過在兩個電極之間分解水來產生電荷，產生正氫離子和負氫氧根離子。氫氧根離子附着在硼上，使其帶負電荷，使其粘附在正電極孔隙內的捕獲位點上。用電極捕獲硼還可以使水處理廠避免在另一級反滲透上消耗更多能源。之後，氫離子和氫氧根離子重新結合，產生中性、無硼的水。
「我們的研究提出了一個多功能平台，利用pH值的變化，將砷等其他污染物轉化為易於去除的形式，」萊斯大學土木與環境工程、化學與生物分子工程的南希和克林特卡爾森教授、該研究的共同通訊作者梅納赫姆·埃利梅萊克說。
「此外，電極上的功能基團可以進行調整，以便與不同的污染物進行特定的結合，從而實現節能的水處理，」Elimelech說。
編譯自/ScitechDaily
