人生自古傷別離，分手從來不快樂！
人如此，鹽水亦如是。
室溫情況下，100 g水中可溶解大約35.9 g NaCl鹽。汪洋大海，浩浩蕩蕩，鹽和水，自古以來就難舍難分。但是，為了滿足人類生活的需求，鹽和水便不得不分開，以生產(chǎn)足夠的淡水。
每天，人類都需要淡水用于衣食住行、工業(yè)制造和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。從含鹽的水中分離出鹽，是生產(chǎn)淡水的最大來源之一。膜過濾，蒸餾和離子交換等技術(shù)被廣泛用于水的凈化，但是鹽水分離的能耗一直太高。
反滲透是目前最常用的水淡化技術(shù)，每天生產(chǎn)近210億加侖的淡水，占全球水淡化總產(chǎn)能的66％。此外，在廢水回收和淡水回用等方面，反滲透技術(shù)也越來越舉足輕重，不可或缺。
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納米技術(shù)革命
18世紀(jì)中頁，法國科學(xué)家Jean-Antoine Nollet首次發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象。一百多年后，荷蘭科學(xué)家Van’t Hoff首次提出計(jì)算滲透壓的方法。又過了大半個(gè)世紀(jì)，20世紀(jì)中期，海水淡化技術(shù)在全球范圍內(nèi)興起，以期解決日益嚴(yán)峻的淡水缺乏問題。
1956年，加州大學(xué)洛杉磯分校的Gerald Hassler教授首次提出“Reverse Osmosis”一詞。后來，在多位科學(xué)家、工程師和企業(yè)的不斷努力下，各種商業(yè)化的反滲透膜橫空出世。醋酸纖維素膜、L-S膜、中空纖維反滲透膜等等。
1971年，杜邦申請聚酰胺基中空纖維反滲透膜專利。1981年，Cadotte申請界面聚合反滲透膜專利。聚酰胺基反滲透膜在商業(yè)上取得巨大成功，成為了反滲透膜領(lǐng)域的絕對霸主。
界面聚合反滲透膜的核心在于，微孔載體上的油水界面處聚合形成一層厚度約100 nm的選擇性薄層。四十多年來，人們已經(jīng)可以完全控制聚酰胺活性層的內(nèi)部形態(tài)，厚度和表面積以制造高滲透性脫鹽膜。然而，膜性能的持續(xù)改善主要還是得益于加工制造工藝的優(yōu)化，而不是通過對膜制備核心技術(shù)的改進(jìn)。
只有認(rèn)識到最根本的機(jī)制，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)出更好的膜材料。對聚酰胺反滲透膜的結(jié)構(gòu)和傳輸性能的充分表征，是本領(lǐng)域科學(xué)家?guī)资陙淼膲糁非螅?/span>
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一種全新的表征方法
破解鹽和水“分手快樂”的謎團(tuán)
為了直接表征膜厚度，并深入理解納米尺度的選擇層的獨(dú)特機(jī)制，賓夕法尼亞州立大學(xué)Enrique D. Gomez和德州大學(xué)奧斯汀分校Manish Kuma合作，利用先進(jìn)的電鏡技術(shù)和理論建模，發(fā)現(xiàn)膜厚度和密度的不均勻性促進(jìn)了水的輸運(yùn)，為當(dāng)前最先進(jìn)的反滲透膜的構(gòu)效關(guān)系提供了獨(dú)到的見解，啟發(fā)人們不斷改善膜性能。
圖1 聚酰胺膜密度和厚度對性能的影響
研究人員使用了一種帶有大角度環(huán)形暗場檢測器(HAADF-STEM)的掃描透射電子顯微鏡，可以在小分子運(yùn)輸尺度上進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息測量。三維空間成像有效揭示了哪些地方那個(gè)聚合物密度高，哪些地方那個(gè)聚合物密度低，這對于理解水如何穿過膜很重要。最重要的是，這種納米級密度成像技術(shù)，和膜材料的假想結(jié)構(gòu)無關(guān)，因此作者可以在沒有可調(diào)參數(shù)的情況下模擬水的運(yùn)輸路徑。這一分析揭示了水通過膜的位置，尤其是水通過時(shí)受到限制的位置。
傳統(tǒng)的宏觀模型表明，隨著膜變得更厚，水的通過應(yīng)該減少。這是因?yàn)椋枰ㄟ^更長的路徑，所以水的通過受到限制。
然而，在反滲透膜中，作者觀察到的厚度和密度的納米級不均勻性卻產(chǎn)生了一種異常現(xiàn)象：如果平均密度低且分布窄，則水的通過量會隨著膜的平均厚度增加而增加。
在此情況下，厚的、更均勻的、不太致密的膜比薄的、致密的、不均勻的膜能提供更好的水的輸送。值得注意的是，水?dāng)U散率和厚度的整體平均測量值并不能很好地得到模型解釋，這可能是由于水通道對密度和厚度的非線性依賴性引起的不均勻系導(dǎo)致。
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未來可期
在納米尺度測量膜表面密度分布，對水通道的研究至關(guān)重要。這種方法為防污涂層的設(shè)計(jì)，以及減少膜降解的表面處理提供新的思路。此外，反滲透膜中使用的微孔支撐體被認(rèn)為是決定膜最終性能的關(guān)鍵，該技術(shù)也為直接測量微孔支撐體如何在界面聚合過程中指導(dǎo)反滲透膜形成提供了新的方法。
物理老化或降解過程會影響膜和聚合物的長期材料性能，聚酰胺基反滲透膜在氯的存在下就會降解，這一研究也為反滲透膜如何隨時(shí)間老化、降解或兩者兼有的基本問題提供了答案。
當(dāng)然，需要做的事情還很多。
通過聚酰胺材料的鹽到底有多少？這個(gè)數(shù)據(jù)還需要補(bǔ)充，以便全面描述反滲透膜中小分子的通過行為。獲得這些數(shù)據(jù)可能并不容易，但目前的研究表明，在不需要假設(shè)聚合物或膜結(jié)構(gòu)的情況下，全面測量和描述小分子通過反滲透膜的傳輸應(yīng)該是可能的。
總的來說，HAADF-STEM技術(shù)為解決困擾了科學(xué)家?guī)资甑木埘０坊礉B透膜功能問題，起到了關(guān)鍵作用。
科學(xué)家，可以繼續(xù)做一個(gè)好夢了！
參考文獻(xiàn)：
[1] Tyler E. Culp, et al. Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes, Science, 2021, 371(6524): 72-75.
DOI: 10.1126/science.abb8518
https://science.sciencemag.org/content/371/6524/72
[2] Geoffrey M. Geise, Why polyamide reverse-osmosis membranes work so well, Science, 2021, 371(6524): 31-32.
https://science.sciencemag.org/content/371/6524/31
