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一种树枝状大分子在海水淡化中的应用

文章来源：未知更新时间：2019-05-17 15:36:37

日常生活中清洁水供应至关重要。海水约占地球总水量的 97%，是潜在的淡水资源。

但海水脱盐能量成本很高，因此面临挑战。

正向渗透(FO)是一种新兴的海水淡化技术，可以通过半透膜的渗透压梯度产生淡水[1]。

与反渗透(RO)等压力驱动的膜分离过程不同，FO是自发的过程，具有以下2点要素：

(1)在低渗透压溶液（进料溶液）和高渗透压溶液（渗透液）之间存在半透膜；

(2)膜有渗透压梯度。水从进料溶液中渗透汲取后，稀释的汲取溶液需要浓缩重新恢复原有的渗透压。

FO 与再生汲取溶液相结合，可连续生产淡水。因此，如果汲取溶液再生简单、节能，则 FO 用于海水淡化所需的能量就会比RO 低[2]。

半透膜和汲取溶质是两个影响FO 性质的关键因素。许多研究人员集中于开发 FO 膜，汲取溶质最近才引起关注。理想的汲取溶质不仅应具有较高的渗透压力，还应尽量减少反溶质通量以降低补充价格。

此外，简单的再生方法也是必不可少的低能源成本要素。已经推荐了大量的新型汲取溶质以降低反通量和较低再生价格。它们通常分为无机、有机汲取溶质，其它的汲取溶质包括刺激响应化合物和亲水磁性纳米粒子[3]。

研究证明，尽管无机盐类汲取溶质，如碳酸铵、二氧化硫等还存在反流和膜破损等问题有待解决，但是有希望用于节能的海水淡化[4]。基于有机分子的汲取溶质，如 Ge等[5]人研究的聚丙烯酸钠(PAA-Na)具有高渗透压和低反通量，且超滤和膜蒸馏 (MD)已表明该汲取溶液可再生。

实验室规模的FO-MD过程

最近，基于刺激响应化合物和纳米结构的汲取溶质成为新的研究热点，这主要是由于其新的再生方法，如温度或 CO2 引起的相分离或磁场捕获。

Wang等[6]在水凝胶(PNIPAM-C)中加入光吸收碳粒子或石墨烯，利用太阳能完成再生过程。这些水凝胶在体积相转移温度(VPTT)吸收水，在温度高于VPTT 时排除水。碳粒子和石墨烯强化太阳能吸收，当水凝胶复合物暴露于阳光下可提高复合凝胶的温度。

Stone等[7]将可转换的极性溶剂(SPS)与二氧化碳、水、三级胺混合作为新的汲取溶质。通过氮或空气温和加热(60℃)所引起的极性向非极性相的转移，SPS能自发的从水中分离。功能化的 MNPs 也被认为是有应用前景的汲取溶质，由于可通过磁场再生并减少凝聚，MNPs 近年来很受关注。

为了避免使用高强度磁场和减少MNPs 凝聚，Zhao等[8]用热响应性共聚物聚(4-磺酸基苯乙烯钠)-co-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PSSS-PNIPAM)对 MNPs 进行修饰。当温度高于临界溶液温度(LCST)时，经修饰的 MNPs 会自发凝聚成大尺寸颗粒，这使在低磁场强度或使用超滤进行有效分离成为可能。尽管该方面的研究有了很大进展，开发具有高渗透压、低粘度、最小反溶质通量、与 FO 膜相容性好的 FO 汲取溶质仍旧是挑战性课题。

G 2.5PAMAM-COONa的合成

PAMAM 树枝状分子具有高度支化的树状结构，通过改变核心与表面结构，PAMAM 可用于不同的领域[9]，如药物运载、纳米粒子合成、催化剂等。如果PAMAM 外端基用亲水基团进行修饰，如-COONa 或-SO3Na，这些基团在溶液中高度解离，可提供高渗透压。

此外，PAMAM 有相对大的分子体积，这利于反溶质通量最小化。与线型聚电解质比较，PAMAM 的超支化结构可以降低溶液粘度，降低内浓度极化（ICP）对于 FO 水通量的不利影响[10]。PAMAM无毒，具有生物相容性。Adham等[11]测量了树枝状分子溶液的渗透压，但在FO 中用树枝状分子使海水脱盐还未见报道。

新加坡国立大学的XianmaoLu等[12]人合成了端基为羧酸钠的PAMAM(PAMAM-COONa)。他们将其用作汲取溶质，对海水淡化进行了研究。