含氟纳米结构可高速低耗淡化海水

严循东摘录  2022年5月16日

世界各地面临日益严峻的水资源短缺问题。海水淡化是生产饮用水的一种方法，但往往伴随着巨大的能源成本。据12日发表在《科学》杂志上的论文，日本研究人员首次使用基于氟的纳米结构成功过滤了水中的盐。与目前主要的海水淡化方法（热能法和反渗透膜法）相比，氟离子纳米通道的工作速度更快，需要的压力和能量更少，是更有效的过滤器。

用含有聚四氟乙烯涂层的锅做饭，煮熟的饭就不会粘在锅上。这是因为聚四氟乙烯的关键成分是氟——一种天然憎水或疏水的轻质元素。聚四氟乙烯也可用于管道内衬以改善水流。

东京大学化学与生物技术系副教授伊藤洋敏及其团队试图探索由氟制成的管道或通道如何在一个纳米尺度上运行，以测试其在选择性过滤不同化合物方面的效果，特别是水和盐。

该团队通过化学合成纳米氟环来创建测试滤膜，这些纳米氟环堆叠并嵌入到其他不渗透的脂质层中，类似于构成细胞壁的有机分子。他们创造了几个宽度大约在1到2纳米之间的氟环测试样本，而人类的头发几乎有10万纳米宽。为了测试膜的有效性，研究团队测量了测试膜两侧的氯离子的存在。

“测试中较小的通道完全拒绝了盐分子的传入，而较大的通道相对于其他海水淡化技术甚至尖端碳纳米管过滤器也有所改进。”伊藤洋敏说，“真正让我惊讶的是，这个过程发生得非常快，比典型的工业设备快几千倍，比基于碳纳米管的实验性海水淡化设备快约2400倍。”

氟是电负性的，它排斥负离子，如盐中的氯。这带来的好处是分解了本质上松散结合的水分子基团（水簇），因此它们可更快地通过通道。该团队的氟基水淡化膜更有效、更快、操作需要的能量更少，而且非常易于使用。

研究团队未来希望改进合成材料的方式，提高膜的寿命并降低运行成本。