海水淡化廠可通過新型碳布電極替代昂貴的化學(xué)品來去除海水中的硼——這是將海水轉(zhuǎn)化為安全飲用水的重要一步。省去傳統(tǒng)海水淡化廠中的酸堿處理步驟，每年可為全球節(jié)省數(shù)十億美元成本，使海水成為更經(jīng)濟(jì)的飲用水選擇。下面我們來詳細(xì)了解一下該項(xiàng)目的詳細(xì)內(nèi)容。
美國密歇根大學(xué)(University of Michigan，簡稱UMich)和萊斯大學(xué)(Rice University)的科研團(tuán)隊(duì)，在《自然-水》(Nature Water)期刊上發(fā)表了這一研究，詳細(xì)介紹了這項(xiàng)新技術(shù)。
一、密歇根大學(xué)新技術(shù)基本情況
硼是海水的天然成分，但當(dāng)其通過傳統(tǒng)脫鹽過濾器時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化為飲用水中的有毒污染物。海水中的硼含量約為世界衛(wèi)生組織(WHO)對安全飲用水最寬松限值的兩倍，且比許多農(nóng)作物的耐受值高出5至12倍。
論文作者密歇根大學(xué)化學(xué)工程系(chemical engineering)高分子科學(xué)工程(macromolecular science and engineering)助理教授Jovan Kamcev表示，大多數(shù)反滲透膜無法有效去除硼，因此海水淡化廠通常需要進(jìn)行后處理以消除硼，這一步驟成本高昂。我們開發(fā)的這一新技術(shù)，與傳統(tǒng)方法相比，具有良好擴(kuò)展性，并能以更低能耗去除硼。
二、舊凈水技術(shù)對比
在海水環(huán)境中，硼以電中性的硼酸形式存在，因此能穿透傳統(tǒng)反滲透膜(這類膜主要通過排斥帶電原子或分子即離子來脫鹽)。為解決這一問題，海水淡化廠通常會(huì)在處理后的水中添加堿性物質(zhì)，使硼酸轉(zhuǎn)化為帶負(fù)電的離子。隨后通過另一階段的反滲透去除帶電硼，最后添加酸性物質(zhì)中和堿性。這些額外處理步驟成本高昂。
研究團(tuán)隊(duì)的新型水凈化技術(shù)裝置降低了海水淡化對化學(xué)品和能源的需求，顯著提升了環(huán)境可持續(xù)性，將成本削減高達(dá)15%，相當(dāng)于每立方米處理水節(jié)省約20美分。
新型電極通過將硼捕獲在布滿含氧結(jié)構(gòu)的孔隙中實(shí)現(xiàn)去硼。這些結(jié)構(gòu)專門與硼結(jié)合，同時(shí)允許海水中的其他離子通過，從而最大化硼捕獲量。
不過，這些捕硼結(jié)構(gòu)仍需硼攜帶負(fù)電荷。研究團(tuán)隊(duì)不再添加堿性物質(zhì)，而是通過在兩個(gè)電極間分解水分子產(chǎn)生帶正電的氫離子和帶負(fù)電的氫氧根離子。氫氧根與硼結(jié)合使其帶負(fù)電，進(jìn)而被正極孔隙中的捕獲位點(diǎn)吸附。通過電極捕獲硼還可避免對反滲透階段增加能耗。最后，氫離子與氫氧根離子重新結(jié)合，生成中性且無硼的凈水。
三、新凈水技術(shù)的優(yōu)勢
2019年全球海水淡化產(chǎn)能已達(dá)每日9500萬立方米。若采用新型水凈化技術(shù)，每年可節(jié)省約69億美元。大型海水淡化廠每年可節(jié)省數(shù)百萬美元。
此類成本節(jié)約有助于提高海水作為飲用水的可獲得性，緩解日益嚴(yán)峻的水資源危機(jī)。根據(jù)全球水經(jīng)濟(jì)委員會(huì)2023年報(bào)告，預(yù)計(jì)到2030年，淡水資源僅能滿足全球需求的40%。
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