助理教授郑铁·唐的实验室正致力于解决海水淡化过程中与膜结垢相关的问题。左起:研究生尹；童；本科研究员罗尼·明亚雷斯；和研究生姚依群，与实验室的反渗透系统。信用:科罗拉多州立大学沸水会在你曾经闪亮的铝壶内表面留下黑色的矿物质沉淀——一点点醋和小苏打就能洗掉。但在其他情况下，这些难看的矿物污渍不仅仅是一个麻烦——它们是我们为数十亿人提供数十亿加仑水的主要障碍。
水脱盐是一种从海水、内陆苦咸水或废水等含盐、肮脏的水源中提取清洁水的技术，在全球范围内越来越受欢迎，全世界有超过18，000家工厂在运行。它采用了一种被称为反渗透的物理原理，在这种原理中，污水在非常高的压力下被推过一个微孔小到看不见的膜——比头发的宽度小很多倍。克莉n水从含盐的副产品中分离出来，这个过程又重新开始了。
水壶上形成的相同矿物质水垢也会在这些特殊的膜上大量形成，堵塞膜的孔隙，大大降低整个过程的效率。膜必须经常更换或清洗，这增加了成本，并阻碍了脱盐技术在应对全球缺水挑战中发挥主导作用的能力。
在海水淡化应用中，膜表面的矿物质结垢是一个高度技术性的问题，科罗拉多州立大学土木与环境工程系助理教授郑铁·童(音译)花了几年时间试图解决这个问题。
他和他的学生在斯科特生物工程大楼内的实验室里辛勤工作，他们正在进行实验，并揭示关于为什么在脱盐过程中会发生这种矿物结垢的基本见解，以及什么机制推动不同类型矿物中结垢的形成。随着工程师们专注于解决方案，他们也在忙于开发解决问题的新方法，无论是通过发明不同的膜还是测试新的添加剂解决方案，在不牺牲水质的情况下，使膜更抗结垢。
建设水弹性
“我们希望我们的水利基础设施能够应对气候变化，”童说，他在耶鲁大学获得博士后职位后，于2017年加入了南加州大学，师从环境工程领域的杰出学者梅纳赫姆·埃利米勒。“如果我们用完了地表水，我们需要备用水来为社会提供足够的水……如果我们想实现这一点，我们面临着很多挑战，包括矿物结垢的问题。这是我们的专长，我们正在研究这些极高盐度的盐水处理过程。这可能是从非常规水源中提取水的最具挑战性的部分之一。”
Tong将他的实验室在海水淡化和膜科学方面的专业知识提供给国家水创新联盟(NAWI)，这是一个由能源部牵头的1.1亿美元的项目，汇集了数百名科学家来解决与当前海水淡化技术相关的各种问题。他们的目标是使海水淡化技术与从干旱的传统水源如湖泊、河流和地下蓄水层中提取淡水的技术相当，甚至更便宜。
通过由加州大学研究人员主导的合作项目，童的实验室最近与范德比尔特大学的研究人员一起获得了资助，以支持开发一种基于电渗析的方法来处理高盐度的脱盐盐水。
使海水淡化成为城市和国家可行选择的挑战是多方面的:经济方面，建设和维护大规模反渗透海水淡化厂；环境方面，水处理过程中留下的高盐度盐水对水生生态系统造成严重和破坏性的污染。
童认为，解决矿物质结垢这一非常特殊的问题可能会产生积极的连锁反应，降低海水淡化的总体成本，让更多的工厂上线，为解决相关问题带来新的能源，如有害的盐水副产品对环境的影响。
矿物结垢问题是一个工程问题，但它也涉及纯化学，需要准确了解哪些无机分子在表面上形成，以及为什么形成。这样，这个课题就吸引了童的多面实验室。
“对于膜结垢，有许多基本问题需要了解，”童说。“有化学反应、动力学和热力学。在大学环境中，我们试图拓展科学的边界——这是在这种环境中工作令人兴奋的一部分。在我们找到海水淡化技术所面临的真正问题的答案之前，我们还有很多事情要解决。”
三个策略
童经营着一个实验室，专注于改进基于膜的水脱盐的三种策略。首先，工程师们试图改变工业膜的表面，以引发不同的化学反应，使它们对矿物结垢更具弹性。
第二，他们正在研究使用一种叫做防垢剂的特殊化学试剂，这种试剂可以少量添加到未经处理的水中，从而阻止水垢的形成。
第三个是过程创新，或者说是反思或改进整个工业系统的想法，这些系统负责最先进的膜脱盐技术。
最近，Tong实验室越来越关注“推力2 ”,即完善防垢剂以保护产生清洁水的膜的想法。他们最近发表在《环境科学与技术》上的见解之一，概述了石膏和二氧化硅这两种主要除垢剂在分子水平上的不同行为。石膏是通过结晶过程形成的，而二氧化硅是通过聚合形成的。这些不同的机理需要两种具有不同化学官能团的防垢剂，无论是带负电荷还是带正电荷。
领导防垢研究的四年级博士生益铭·尹(音)说，阐明这些矿物质在膜表面形成的差异表明了实现处理各种咸或微咸水的解决方案的复杂性。
“目前，我们已经对石膏和二氧化硅的行为有了基本的了解，”尹说。“现在我们想继续说，我们可以用什么样的策略来减轻它们？”
童的学生们还特别利用了他们新发现的关于石膏化学行为的知识。使用石膏作为代表性的脱盐剂，他们一直在试验结合反渗透和膜蒸馏技术，这是另一种类型的脱盐技术，即使在存在高浓度石膏的情况下，也可以通过加热来实现纯水回收。
虽然反渗透是工业标准实践，并且是最成熟的脱盐技术，但是它在它能处理的水的盐度方面有硬限制。换句话说，稍微有点脏和含盐的水没有问题，但是一旦这些含盐的，半咸的浓缩物达到每升7万毫克盐，就很难推动水通过膜，系统就崩溃了。这就是为什么Tong的团队认为结合两种技术的处理系统可能是让更多工厂上线并降低成本的关键。通过应用防垢剂，Tong的团队最近从含石膏的盐水中实现了出色的水回收，他们的研究结果发表在《膜科学杂志》上。
Ronny Minjarez是在该实验室工作的三年级本科生，他共同撰写了两篇关于去水垢问题的出版物，他说，他很高兴有机会研究对地球未来有如此重要影响的技术。
“随着水资源变得越来越紧张，海水淡化将对未来产生很大影响，”Minjarez说。“所以这些技术将变得更加重要。”
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