全球5亿人严重缺水,新发明了将盐水变成饮用水更高效的方发?

缺水是世界范围内的一个主要问题和难题,卡内基梅隆大学机械工程助理教授阿米尔·巴拉蒂·法里马尼说:缺水问题影响到每一个大陆,40亿人一年中至少有一个月生活在严重缺水的情况下,5亿人全年生活在严重缺水的情况下。然而,即使人们在没有安全饮用水的情况下苦苦挣扎,门外仍有大量不能饮用的水。然而地球表面的71%被海水覆盖,所以这是一个非常有趣的矛盾。

为了解决这个问题,巴拉蒂·法里马尼将研究重点放在了海水淡化上,这是咸水转化为淡水的过程。淡化水的方法有很多种,但最有效的方法之一是膜法淡化。在这种方法中,水被推过有小孔的薄膜。水流过毛孔,但盐离子不能,只剩下淡水在另一边。在最新研究中,巴拉蒂·法里马尼探索了一种新型膜的潜力,这种膜被称为金属-有机骨架(MOF)。这些膜由金属中心和有机化合物组成,有机化合物和金属呈五角形连接,在中心留下一个孔作为孔。

如果你看它们,它们就像蜂巢,该框架更有效的原因有几个:首先,它非常薄。它只有几个原子厚,这意味着当水分子通过孔隙时,摩擦力非常小。此外,毛孔的位置有助于渗透,当没有相邻的毛孔时,壁上的分子会受到巨大的压力。这会降低海水淡化过程的效率,要理解其中的原因,只需想象一下向漏斗里倒水。水通过末端洞的速度更慢,因为它被推到膜上,强行穿过一个很小的空间,另一方面,MOF有多个相邻的孔隙,没有来自膜面的压力。

这给了它们更容易通过毛孔的机会,想象一下,这一次通过过滤器倒水,它的移动要快得多,因为它有多个可以逃脱的出口点。最后,MOF比其他材料具有更完整的结构。在大多数材料中,科学家不得不钻微小的孔来创造所需孔隙,这限制了每个表面积可以创造的数量。如果想制造很多毛孔,石墨烯或二硫化钼不能做到这一点,从结构上讲,它们承受不住压力。但由于其蜂窝结构,MOF本质上是多孔的,有更高的孔隙率与表面积之比。

这也节省了时间和精力,因为毛孔不需要钻孔,甚至不需要调整大小。MOF和其他典型的膜之间的差异是显著的,无论是水通过的速度有多快,以及有多少离子被阻止,这仅仅是对几个毛孔的模拟。一座海水淡化厂可能会有数十亿个孔隙,从而使其效率成倍提高。在大规模淡化中,这将是巨大的,即使效率略有提高,也意味着巨大的飞跃。除了学术界,研究人员还希望研究能对人们的生活产生影响,我们需要为许多贫困人口提供淡水,比如在非洲或其他地方。