消除传统海水淡化厂的酸碱处理可在全球范围内节省数十亿美元，使海水成为更具成本效益的饮用水来源。海水淡化厂可能很快就能通过使用新的碳布电极去除海水中的硼来消除昂贵化学品的使用，这是确保海水安全饮用的重要步骤。密歇根大学和莱斯大学的工程师在《自然水》杂志上发表的一项研究详细介绍了这项技术。

密歇根大学化学工程与高分子科学与工程助理教授乔万·卡姆切夫（Jovan Kamcev）将滤膜放置在两个电极之间，以测量滤膜的导电性能。这有助于他的团队预测滤膜的净水效果。图片来源：密歇根工程学院马辛·斯泽潘斯基（Marcin Szczepanski）

硼是海水中天然存在的元素，当它经过标准的除盐过滤器时，就会变成饮用水中的有毒污染物。海水中的硼浓度约为世界卫生组织规定的饮用水最宽松安全限值的两倍，是许多作物所能耐受浓度的5到12倍。

密歇根大学化学工程与高分子科学与工程助理教授乔万·卡姆切夫（Jovan Kamcev）正在将碳布电极插入用于海水淡化的流动池中。图片来源：密歇根工程学院Marcin Szczepanski

为什么目前的过滤器存在缺陷

“大多数反渗透膜去除的硼并不多，因此海水淡化厂通常需要进行一些后处理来去除硼，这可能会很昂贵，”密歇根大学化学工程和大分子科学与工程助理教授、该研究的共同通讯作者约万·卡姆切夫（Jovan Kamcev）说道。“我们开发了一种新技术，它具有相当高的可扩展性，并且与一些传统技术相比，它能够以节能的方式去除硼。”

在海水中，硼以电中性的硼酸形式存在，因此它会通过反渗透膜，而反渗透膜通常通过排斥带电的原子和分子（称为离子）来去除盐分。为了解决这个问题，海水淡化厂通常会在处理过的水中添加一种碱，使硼酸带负电。反渗透的另一个阶段会去除新带电的硼，之后再通过添加酸来中和碱。这些额外的处理步骤可能成本高昂。

研究人员电极中的碳布纤维经酸处理后，获得了能够捕获硼的含氧特性。图片来源：密歇根大学卡姆切夫研究实验室的约万·卡姆切夫

莱斯大学博士后研究员、该研究的共同第一作者潘伟一表示：“我们的设备减少了海水淡化对化学和能源的需求，显著提高了环境可持续性，并将成本降低了 15%，即每立方米处理水约 20 美分。”

全球节约和水资源获取

鉴于2019年全球海水淡化产能总计9500万立方米/日，新型膜每年可节省约69亿美元。大型海水淡化厂，例如圣地亚哥的克劳德·“巴德”·刘易斯卡尔斯巴德海水淡化厂，一年可节省数百万美元。

这些节约措施有助于使海水成为更易获取的饮用水来源，并缓解日益严重的水危机。根据全球水资源经济学委员会2023年的一份报告，预计到2030年，淡水供应将满足40%的需求。

新型电极通过将硼捕获在布满含氧结构的孔隙中来去除硼。这些结构专门与硼结合，同时允许海水中的其他离子通过，从而最大限度地提高它们对硼的捕获量。

该图展示了研究人员的电极如何去除硼。首先，大部分盐离子通过反渗透去除。然后，水流入一个包含膜的单元，该膜由正极（粉色）和负极（橙色）组成。带相同电荷的电极面向膜层，当电流通过时，膜界面处的水分子分解成氢离子和氢氧根离子。氢氧根离子粘附在硼上，使其粘附在正极上。图片来源：密歇根大学卡姆切夫研究实验室的Jovan Kamcev和莱斯大学伊利梅莱赫研究实验室的Weiyi Pan

然而，硼捕获结构仍然需要硼带负电荷。它并非添加碱，而是通过在两个电极之间分解水来产生电荷，产生正氢离子和负氢氧根离子。氢氧根离子附着在硼上，使其带负电荷，使其粘附在正电极孔隙内的捕获位点上。用电极捕获硼还可以使水处理厂避免在另一级反渗透上消耗更多能源。之后，氢离子和氢氧根离子重新结合，产生中性、无硼的水。

“我们的研究提出了一个多功能平台，利用pH值的变化，将砷等其他污染物转化为易于去除的形式，”莱斯大学土木与环境工程、化学与生物分子工程的南希和克林特卡尔森教授、该研究的共同通讯作者梅纳赫姆·埃利梅莱克说。

“此外，电极上的功能基团可以进行调整，以便与不同的污染物进行特定的结合，从而实现节能的水处理，”Elimelech说。

编译自/ScitechDaily