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密歇根大学化学工程系研发新型水净化技术

是Ruicy呀 2025-02-26 14:38:49 北京

海水淡化厂可通过新型碳布电极替代昂贵的化学品来去除海水中的硼——这是将海水转化为安全饮用水的重要一步。省去传统海水淡化厂中的酸碱处理步骤，每年可为全球节省数十亿美元成本，使海水成为更经济的饮用水选择。

美国密歇根大学（University of Michigan，简称UMich）和莱斯大学（Rice University）的科研团队，在《自然-水》（Nature Water）期刊上发表了这一研究，详细介绍了这项新技术。

硼是海水的天然成分，但当其通过传统脱盐过滤器时，会转化为饮用水中的有毒污染物。海水中的硼含量约为世界卫生组织（WHO）对安全饮用水最宽松限值的两倍，且比许多农作物的耐受值高出5至12倍。

论文作者密歇根大学化学工程系（chemical engineering）高分子科学工程（macromolecular science and engineering）助理教授Jovan Kamcev表示，大多数反渗透膜无法有效去除硼，因此海水淡化厂通常需要进行后处理以消除硼，这一步骤成本高昂。我们开发的这一新技术，与传统方法相比，具有良好扩展性，并能以更低能耗去除硼。

在海水环境中，硼以电中性的硼酸形式存在，因此能穿透传统反渗透膜（这类膜主要通过排斥带电原子或分子即离子来脱盐）。为解决这一问题，海水淡化厂通常会在处理后的水中添加碱性物质，使硼酸转化为带负电的离子。随后通过另一阶段的反渗透去除带电硼，最后添加酸性物质中和碱性。这些额外处理步骤成本高昂。

研究团队的新型水净化技术装置降低了海水淡化对化学品和能源的需求，显著提升了环境可持续性，将成本削减高达15%，相当于每立方米处理水节省约20美分。

新型电极通过将硼捕获在布满含氧结构的孔隙中实现去硼。这些结构专门与硼结合，同时允许海水中的其他离子通过，从而最大化硼捕获量。

不过，这些捕硼结构仍需硼携带负电荷。研究团队不再添加碱性物质，而是通过在两个电极间分解水分子产生带正电的氢离子和带负电的氢氧根离子。氢氧根与硼结合使其带负电，进而被正极孔隙中的捕获位点吸附。通过电极捕获硼还可避免对反渗透阶段增加能耗。最后，氢离子与氢氧根离子重新结合，生成中性且无硼的净水。

2019年全球海水淡化产能已达每日9500万立方米。若采用新型水净化技术，每年可节省约69亿美元。大型海水淡化厂每年可节省数百万美元。此类成本节约有助于提高海水作为饮用水的可获得性，缓解日益严峻的水资源危机。根据全球水经济委员会2023年报告，预计到2030年，淡水资源仅能满足全球需求的40%。