海水變飲用水，僅需一張膜？

　　世界人口不斷增長，氣候不斷變化，隨之而來的是不斷增加的野火和干旱等自然災害，潔凈水源正在成為越來越珍貴的資源。

　　根據聯合國2019年的報告，世界上近一半人（約36億），每年至少有一個月生活在潛在缺水的地區。如果不采取適當的手段，到2050年這個數字將會增長到48~57億。要解決水資源匱乏，有一個看上去非常簡單的方法——將海水轉化為淡水；但其中存在一個很大的難題——如何大規模低成本可持續地淡化海水。

　　科羅拉多大學博爾德分校以及馬里蘭大學的研究者們從木頭中找到了答案。他們用木材制作了一種超薄過濾膜來淡化海水，凈化水質。根據《科學進展》（Science Advances）對這項研究的報道，這種0.5毫米的薄膜，將可能成為海水淡化廠現在廣泛使用的石油衍生塑料薄膜的可持續性替代品。

新型海水濾膜 | S. He & T. Li

　　傳統的海水淡化方法

　　實際上，現在已經有部分缺水地區成功從海水中獲得了可以飲用的清潔淡水。中東和加州等地區就已經有海水淡化廠在為居民供水了。這些工廠大多依賴于使用反滲透的方法處理海水，也就是將海水強壓入多孔薄膜進行過濾，去除鹽分和雜質。但是，這種方法不僅會耗費巨大的能源，還會耗費昂貴的塑料過濾膜，后者還非常容易堵塞，導致更大的耗費。

　　這時，一種尚未商業化的海水淡化技術——膜蒸餾技術，因其節能環保的特性引起關注，進入了人們的視野。所謂“膜蒸餾”，就是先利用太陽能蒸發海水，水蒸氣通過疏水膜過濾，再經過冷凝，成為清潔的淡水。但是這種處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)等基于石油產業的高聚物。這類材料一方面不適合高效保溫，另一方面難以降解，容易造成環境問題。因此，受到成本和能源耗資的限制，該技術也無法廣泛應用。

　　可持續低能耗的納米木膜

　　于是研究小組決定選用可持續的、耗費更低的材料制作蒸餾膜，并最終選定了美國椴木。制作過程如下：

　　1.將木片切割成2毫米厚，用沸水煮12小時；

　　2.用熱蒸餾水沖洗三次，去除木片上的雜質；

　　3.將木片放入煮沸的漂白劑溶液中，直至木材變白，以除去木質素；

　　4.將去除木質素的木片放入冷水中沖洗并冷卻干燥，保留木片的納米多孔結構。最終，他們得到了一種無色的、類似超輕泡沫聚苯乙烯的材料。這種材料還可以用于隔熱和冷卻。

處理后與處理前的木質薄膜

　　但是木質本身有很強的親水性，顯然不適合作為海水的過濾膜使用。于是研究者們打算利用硅烷和材料表面豐富的羥基官能團進行化學反應，從而改變木質表面的親水性，使材料具有疏水性能。與此同時，纖維素纖維的排列方式得以保留，使熱量可以沿著材料表面傳導，但纖維之間形成的孔穴又使得熱量無法穿透材料。

　　研究人員將這種材料制成的過濾膜一側加熱，這樣一來，流過薄膜這一側的水就會快速蒸發。使用這種方法制造水蒸氣，比燒水制造水蒸氣消耗的能量還要小得多。此外，這種膜的孔穴也比商用塑料膜多，使得水蒸氣更易透過。

納米木膜過濾示意圖

　　然而，每平米膜每小時大約只能過濾20千克水，效率大概是商用塑料膜的一半，總之，整體上沒有達到預期效果。

　　研究小組調查后寫道，造成該問題的原因是最終制成的膜比預想的更厚，氣孔更小。改用其他氣孔大小更理想的木材，制作更薄的膜，應該能解決該問題。他們還計劃制造在高溫以及惡劣化學條件下更耐用的過濾膜。

　　水資源短缺是世界性的重大難題。淡化海水是人類解決這一難題的重要方案。為了達成這個目的，人們需要不斷摸索出更好的方法。雖然目前實驗結果仍不理想，但研究者們充滿信心。希望在不久的將來，納米木膜有望代替塑料過濾膜，更加高效環保地淡化海水，造福人類。