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一種樹枝狀大分子在海水淡化中的應(yīng)用
文章來(lái)源：未知 更新時(shí)間：2019-05-17 15:36:37
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日常生活中清潔水供應(yīng)至關(guān)重要。海水約占地球總水量的 97%，是潛在的淡水資源。
但海水脫鹽能量成本很高，因此面臨挑戰(zhàn)。
正向滲透(FO)是一種新興的海水淡化技術(shù)，可以通過半透膜的滲透壓梯度產(chǎn)生淡水[1]。
與反滲透(RO)等壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過程不同，F(xiàn)O是自發(fā)的過程，具有以下2點(diǎn)要素：
(1)在低滲透壓溶液（進(jìn)料溶液）和高滲透壓溶液（滲透液）之間存在半透膜； (2)膜有滲透壓梯度。水從進(jìn)料溶液中滲透汲取后，稀釋的汲取溶液需要濃縮重新恢復(fù)原有的滲透壓。
FO 與再生汲取溶液相結(jié)合，可連續(xù)生產(chǎn)淡水。因此，如果汲取溶液再生簡(jiǎn)單、節(jié)能，則 FO 用于海水淡化所需的能量就會(huì)比RO 低[2]。
半透膜和汲取溶質(zhì)是兩個(gè)影響FO 性質(zhì)的關(guān)鍵因素。許多研究人員集中于開發(fā) FO 膜，汲取溶質(zhì)最近才引起關(guān)注。理想的汲取溶質(zhì)不僅應(yīng)具有較高的滲透壓力，還應(yīng)盡量減少反溶質(zhì)通量以降低補(bǔ)充價(jià)格。
此外，簡(jiǎn)單的再生方法也是必不可少的低能源成本要素。已經(jīng)推薦了大量的新型汲取溶質(zhì)以降低反通量和較低再生價(jià)格。它們通常分為無(wú)機(jī)、有機(jī)汲取溶質(zhì)，其它的汲取溶質(zhì)包括刺激響應(yīng)化合物和親水磁性納米粒子[3]。
研究證明，盡管無(wú)機(jī)鹽類汲取溶質(zhì)，如碳酸銨、二氧化硫等還存在反流和膜破損等問題有待解決，但是有希望用于節(jié)能的海水淡化[4]。基于有機(jī)分子的汲取溶質(zhì)，如 Ge等[5]人研究的聚丙烯酸鈉(PAA-Na)具有高滲透壓和低反通量，且超濾和膜蒸餾 (MD)已表明該汲取溶液可再生。
實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的FO-MD過程
最近，基于刺激響應(yīng)化合物和納米結(jié)構(gòu)的汲取溶質(zhì)成為新的研究熱點(diǎn)，這主要是由于其新的再生方法，如溫度或 CO2 引起的相分離或磁場(chǎng)捕獲。
Wang等[6]在水凝膠(PNIPAM-C)中加入光吸收碳粒子或石墨烯，利用太陽(yáng)能完成再生過程。這些水凝膠在體積相轉(zhuǎn)移溫度(VPTT)吸收水，在溫度高于VPTT 時(shí)排除水。碳粒子和石墨烯強(qiáng)化太陽(yáng)能吸收，當(dāng)水凝膠復(fù)合物暴露于陽(yáng)光下可提高復(fù)合凝膠的溫度。
Stone等[7]將可轉(zhuǎn)換的極性溶劑(SPS)與二氧化碳、水、三級(jí)胺混合作為新的汲取溶質(zhì)。通過氮或空氣溫和加熱(60℃)所引起的極性向非極性相的轉(zhuǎn)移，SPS能自發(fā)的從水中分離。功能化的 MNPs 也被認(rèn)為是有應(yīng)用前景的汲取溶質(zhì)，由于可通過磁場(chǎng)再生并減少凝聚，MNPs 近年來(lái)很受關(guān)注。
為了避免使用高強(qiáng)度磁場(chǎng)和減少M(fèi)NPs 凝聚，Zhao等[8]用熱響應(yīng)性共聚物聚(4-磺酸基苯乙烯鈉)-co-聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PSSS-PNIPAM)對(duì) MNPs 進(jìn)行修飾。當(dāng)溫度高于臨界溶液溫度(LCST)時(shí)，經(jīng)修飾的 MNPs 會(huì)自發(fā)凝聚成大尺寸顆粒，這使在低磁場(chǎng)強(qiáng)度或使用超濾進(jìn)行有效分離成為可能。盡管該方面的研究有了很大進(jìn)展，開發(fā)具有高滲透壓、低粘度、最小反溶質(zhì)通量、與 FO 膜相容性好的 FO 汲取溶質(zhì)仍舊是挑戰(zhàn)性課題。
G 2.5PAMAM-COONa的合成
PAMAM 樹枝狀分子具有高度支化的樹狀結(jié)構(gòu)，通過改變核心與表面結(jié)構(gòu)，PAMAM 可用于不同的領(lǐng)域[9]，如藥物運(yùn)載、納米粒子合成、催化劑等。如果PAMAM 外端基用親水基團(tuán)進(jìn)行修飾，如-COONa 或-SO3Na，這些基團(tuán)在溶液中高度解離，可提供高滲透壓。
此外，PAMAM 有相對(duì)大的分子體積，這利于反溶質(zhì)通量最小化。與線型聚電解質(zhì)比較，PAMAM 的超支化結(jié)構(gòu)可以降低溶液粘度，降低內(nèi)濃度極化（ICP）對(duì)于 FO 水通量的不利影響[10]。PAMAM無(wú)毒，具有生物相容性。Adham等[11]測(cè)量了樹枝狀分子溶液的滲透壓，但在FO 中用樹枝狀分子使海水脫鹽還未見報(bào)道。
新加坡國(guó)立大學(xué)的XianmaoLu等[12]人合成了端基為羧酸鈉的PAMAM(PAMAM-COONa)。他們將其用作汲取溶質(zhì)，對(duì)海水淡化進(jìn)行了研究。
以DI水為進(jìn)料溶液，1.5、2.5、3.5和4.5代PAMAM-COONa的水溶液(33.3wt%) (a)相對(duì)粘度；(b)滲透度和水通量，在PRO模式下獲得水通量
1.5、2.5、3.5和4.5代PAMAM-COONa和NaCl的反溶質(zhì)通量
與現(xiàn)有的 FO 汲取溶質(zhì)比較，PAMAM-COONa 有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 由于具有大量的-COONa 基團(tuán)，它的水溶液能產(chǎn)生高滲透壓； (2) PAMAM-COONa 溶液粘度低，能降低內(nèi)濃度極化（ICP），減少對(duì) FO 水通量的不利影響； (3) PAMAM-COONa體積較大，利于減少反溶質(zhì)通量。
1.5、2.5、3.5和4.5代PAMAM-COONa水溶液(33.3%)的分子量、相對(duì)粘度、滲透度、FO過程水通量和反溶質(zhì)通量
作者用 2.5 代 PAMAM-COONa 作為汲取溶液(33.3%)以及市售 HTIFO 膜，對(duì)新加坡海岸的海水進(jìn)行了 FO 實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，其達(dá)到了 9Lm -2 h -1 的高水通量。
此外，與 NaCl 比較，PAMAM-COONa 的反溶質(zhì)通量降低。FO 實(shí)驗(yàn)過后，用膜蒸餾方法再次濃縮稀釋的 PAMAM-COONa 溶液，可恢復(fù)其原始滲透壓并用于海水淡化，使汲取溶質(zhì)再生。
除了淡化海水，基于樹枝狀分子的 FO 汲取溶質(zhì)還可用于水處理和蛋白質(zhì)富集等領(lǐng)域。
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