海水变饮用水，仅需一张膜？

　　世界人口不断增长，气候不断变化，随之而来的是不断增加的野火和干旱等自然灾害，洁净水源正在成为越来越珍贵的资源。

　　根据联合国2019年的报告，世界上近一半人（约36亿），每年至少有一个月生活在潜在缺水的地区。如果不采取适当的手段，到2050年这个数字将会增长到48~57亿。要解决水资源匮乏，有一个看上去非常简单的方法——将海水转化为淡水；但其中存在一个很大的难题——如何大规模低成本可持续地淡化海水。

　　科罗拉多大学博尔德分校以及马里兰大学的研究者们从木头中找到了答案。他们用木材制作了一种超薄过滤膜来淡化海水，净化水质。根据《科学进展》（Science Advances）对这项研究的报道，这种0.5毫米的薄膜，将可能成为海水淡化厂现在广泛使用的石油衍生塑料薄膜的可持续性替代品。

新型海水滤膜 | S. He & T. Li

　　传统的海水淡化方法

　　实际上，现在已经有部分缺水地区成功从海水中获得了可以饮用的清洁淡水。中东和加州等地区就已经有海水淡化厂在为居民供水了。这些工厂大多依赖于使用反渗透的方法处理海水，也就是将海水强压入多孔薄膜进行过滤，去除盐分和杂质。但是，这种方法不仅会耗费巨大的能源，还会耗费昂贵的塑料过滤膜，后者还非常容易堵塞，导致更大的耗费。

　　这时，一种尚未商业化的海水淡化技术——膜蒸馏技术，因其节能环保的特性引起关注，进入了人们的视野。所谓“膜蒸馏”，就是先利用太阳能蒸发海水，水蒸气通过疏水膜过滤，再经过冷凝，成为清洁的淡水。但是这种处理方式中使用到的疏水膜，其制作材料是聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)等基于石油产业的高聚物。这类材料一方面不适合高效保温，另一方面难以降解，容易造成环境问题。因此，受到成本和能源耗资的限制，该技术也无法广泛应用。

　　可持续低能耗的纳米木膜

　　于是研究小组决定选用可持续的、耗费更低的材料制作蒸馏膜，并最终选定了美国椴木。制作过程如下：

　　1.将木片切割成2毫米厚，用沸水煮12小时；

　　2.用热蒸馏水冲洗三次，去除木片上的杂质；

　　3.将木片放入煮沸的漂白剂溶液中，直至木材变白，以除去木质素；

　　4.将去除木质素的木片放入冷水中冲洗并冷却干燥，保留木片的纳米多孔结构。最终，他们得到了一种无色的、类似超轻泡沫聚苯乙烯的材料。这种材料还可以用于隔热和冷却。

处理后与处理前的木质薄膜

　　但是木质本身有很强的亲水性，显然不适合作为海水的过滤膜使用。于是研究者们打算利用硅烷和材料表面丰富的羟基官能团进行化学反应，从而改变木质表面的亲水性，使材料具有疏水性能。与此同时，纤维素纤维的排列方式得以保留，使热量可以沿着材料表面传导，但纤维之间形成的孔穴又使得热量无法穿透材料。

　　研究人员将这种材料制成的过滤膜一侧加热，这样一来，流过薄膜这一侧的水就会快速蒸发。使用这种方法制造水蒸气，比烧水制造水蒸气消耗的能量还要小得多。此外，这种膜的孔穴也比商用塑料膜多，使得水蒸气更易透过。

纳米木膜过滤示意图

　　然而，每平米膜每小时大约只能过滤20千克水，效率大概是商用塑料膜的一半，总之，整体上没有达到预期效果。

　　研究小组调查后写道，造成该问题的原因是最终制成的膜比预想的更厚，气孔更小。改用其他气孔大小更理想的木材，制作更薄的膜，应该能解决该问题。他们还计划制造在高温以及恶劣化学条件下更耐用的过滤膜。

　　水资源短缺是世界性的重大难题。淡化海水是人类解决这一难题的重要方案。为了达成这个目的，人们需要不断摸索出更好的方法。虽然目前实验结果仍不理想，但研究者们充满信心。希望在不久的将来，纳米木膜有望代替塑料过滤膜，更加高效环保地淡化海水，造福人类。