賢集網2月17日訊：煮沸的水會在你曾經閃亮的鋁制水壺的內表面留下黑色的礦物質沉淀物——任何一點醋和小蘇打都擦不掉。這些難看的礦物污漬不僅令人討厭，而且是我們向數十億人提供數十億加侖水的能力的主要障礙。

海水淡化技術是一種從海水、內陸咸水或廢水等咸臟水源中提取清潔水的技術，在全球范圍內越來越受歡迎，全球有18000多家工廠在運營。它采用了一種被稱為反滲透的物理原理，在這種原理中，污水在非常高的壓力下被推過一層膜，膜上的孔隙太小，無法通過比頭發寬度小很多倍的東西。將干凈的水從含鹽的副產品中分離出來，然后重新開始這個過程。

在水壺上形成的礦物鱗片也會在這些特殊的膜上大量形成，堵塞膜的孔隙，大大降低整個過程的效率。膜必須經常更換或清洗，這增加了成本，阻礙了海水淡化技術在應對全球缺水挑戰中發揮主導作用的能力。

在脫鹽應用中，膜表面的礦物結垢是一個高度技術性的問題，科羅拉多州立大學土木與環境工程系助理教授佟鐵正（Tiezheng Tong）過去幾年一直在努力解決這個問題。

他和他的學生在斯科特生物工程大樓內的一個實驗室里辛勤工作，他們正在進行實驗，并揭示了在脫鹽過程中為什么會發生這種礦物結垢，以及在不同類型的礦物中形成結垢的機制。隨著工程師們專注于解決方案，他們也在忙著開發新的方法來解決這個問題，無論是發明不同的膜，還是測試新的添加劑溶液，使膜在不犧牲水質的情況下更耐結垢。

建筑水彈性

“我們希望我們的水利基礎設施能夠適應氣候變化，如果地表水耗盡，我們需要一個后備系統來為社會提供足夠的水……如果我們想實現這一目標，我們面臨很多挑戰，包括礦物結垢問題。這是我們的一個小領域，我們正在研究這些高鹽度鹽水處理工藝。這可能是提取過程中最具挑戰性的部分之一從非常規來源提取水。"Tong說。他在耶魯大學擔任博士后，在環境工程領域的杰出學者Menachem Elimelech的帶領下于2017年加入CSU?！?/p>

Tong將他的實驗室在海水淡化和膜科學方面的專業知識提供給國家水創新聯盟（NAWI），該聯盟由能源部牽頭，耗資1.1億美元，匯集了數百名科學家，以解決與當前海水淡化技術相關的各種問題。他們的目標是使海水淡化技術與從湖泊、河流和含水層等遭受旱災的傳統水源中提取淡水的技術相媲美，甚至更便宜。

通過由CSU研究人員發揮主導作用的NAWI伙伴關系，Tong的實驗室最近得到了范德比爾特大學研究人員的資助，以支持基于電滲析的高鹽脫鹽鹽水處理方法的開發。

使海水淡化成為城市和國家的可行選擇所面臨的挑戰是多層次的：在建設和維護大型反滲透海水淡化廠方面的經濟挑戰以及環境挑戰，在這種情況下，水處理過程中留下的高鹽度鹽水會對水生生態系統造成嚴重的破壞性污染。

Tong認為，解決礦物結垢這一非常具體的問題可能會產生積極的連鎖反應，降低海水淡化的總體成本，讓更多的工廠上線，為解決危險鹽水副產品的環境影響等相關問題帶來新能源。

礦物結垢問題是一個工程問題，但它也涉及純化學，需要確切了解哪些無機分子在表面形成，以及為什么。通過這種方式，這個課題吸引了Tong的多方面實驗室。

Tong說，使用薄膜除垢，有很多基本問題需要理解。有化學反應、動力學和熱力學。在大學環境中，我們試圖突破科學的界限，這是在這種背景下工作令人興奮的一部分。在尋求脫鹽技術面臨的真正問題的答案之前，我們有很多事情要解決。

三種策略

Tong經營著一個實驗室，重點研究三種改進膜式海水淡化的策略。首先，工程師們正試圖改變工業膜的表面，以引發不同的化學反應，并使其對礦物結垢更具彈性。

第二，他們正在研究使用一種名為“防垢劑”的特殊化學藥劑，這種藥劑可以少量添加到未經處理的水中，并會阻礙水垢的形成。

第三是工藝創新，即重新思考或改進負責最先進膜脫鹽的整個工業系統的想法。

最近，Tong實驗室越來越關注推力2，即完善防垢劑以保護生產清潔水的膜的想法。他們最近的一項見解發表在《環境科學與技術》上，概述了石膏和二氧化硅這兩種主要結垢劑在分子水平上的不同行為。石膏是通過結晶過程形成的，而二氧化硅是通過聚合形成的。這些不同的機制需要兩種具有不同化學官能團的防垢劑，無論是帶負電荷的還是帶正電荷的。

領導抗垢劑研究的四年級博士生尹一鳴說，闡明這些礦物質在膜表面形成方式之間的差異表明，找到一種處理各種咸水或微咸水的解決方案非常復雜。

“目前，我們已經對石膏和二氧化硅的行為有了基本的了解，現在我們想繼續說，我們可以用什么樣的策略來緩解它們？”尹說。

Tong的學生還利用了他們新發現的石膏化學行為的知識。他們以石膏為代表，試驗了反滲透和膜蒸餾技術的結合。膜蒸餾是另一種脫鹽技術，即使在存在高濃度石膏的情況下，也能通過加熱實現純水回收。

雖然反滲透是行業標準做法，也是最成熟的脫鹽技術，但它在可處理的水的鹽度方面有著嚴格的限制。換言之，稍微臟一點、含鹽的水是沒有問題的，但一旦這些含鹽、含鹽的濃縮物達到每升鹽70000毫克，就很難推動水通過膜，系統就會崩潰。這就是膜蒸餾能夠完成這項工作的時候，這就是為什么Tong的團隊認為，結合這兩種技術的處理系列可能是讓更多工廠上線并降低成本的關鍵。通過使用防垢劑，Tong的團隊最近從含石膏的鹽水中實現了非凡的水回收，他們的發現發表在《膜科學雜志》上。

Ronny Minjarez是該實驗室的三年級本科生，他與人合著了這兩本關于除垢問題的出版物。他說，他很高興有機會研究對地球未來具有如此重要影響的技術。

隨著水源越來越緊張，海水淡化將對未來產生很大影響。因此，這些技術將變得更加重要。