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降低能源和財務(wù)成本，以及提高海水淡化的簡單性，可以幫助世界各地難以獲得安全飲用水。

水資源短缺是世界范圍內(nèi)日益嚴(yán)重的問題。海水淡化是一種既定的生產(chǎn)飲用水的方法，但伴隨著巨大的能源成本。研究人員首次使用氟基納米結(jié)構(gòu)成功過濾水中的鹽分。與目前的脫鹽方法相比，這些含氟納米通道的工作速度更快，需要的壓力和能量更少，并且是一種更有效的過濾器。

如果您曾經(jīng)用不粘的特氟龍涂層煎鍋烹飪過，那么您可能已經(jīng)看到過濕的食材很容易在其周圍滑動的方式。發(fā)生這種情況是因為聚四氟乙烯的關(guān)鍵成分是氟，這是一種輕質(zhì)元素，具有天然的防水性或疏水性。聚四氟乙烯也可用于管道內(nèi)襯以改善水流。這種現(xiàn)象引起了東京大學(xué)化學(xué)與生物技術(shù)系副教授 Yoshimitsu Itoh 及其團隊的注意。它激發(fā)了他們探索由氟制成的管道如何在不同的尺度上運行，即納米尺度。

圖片來源：? 2022 Itoh 等人。

“我們很想知道含氟納米通道在選擇性過濾不同化合物方面的效果如何，特別是水和鹽。而且，在運行了一些復(fù)雜的計算機模擬之后，我們認(rèn)為值得花時間和精力來創(chuàng)建一個工作樣本， "伊藤說：“目前有兩種主要的海水淡化方法：熱法，利用熱量蒸發(fā)海水，使其冷凝為純凈水，或者通過反滲透，利用壓力迫使水通過阻擋鹽的膜。這兩種方法都需要大量能量，但我們的測試表明，氟納米通道需要的能量很少，而且還有其他好處?！?/span>

該團隊制造了新型化學(xué)合成的納米級氟環(huán)過濾膜，這些氟環(huán)被堆疊并嵌入在其他不可滲透的脂質(zhì)層中，類似于構(gòu)成細(xì)胞壁的有機分子。他們創(chuàng)建了幾個具有約 1 到 2 納米納米環(huán)的測試樣品。作為參考，人類的頭發(fā)幾乎有 100,000 納米寬。為了測試他們的膜的有效性，Itoh 和團隊測量了氯離子的存在，氯離子是鹽的主要成分之一——另一種是鈉——在測試膜的兩側(cè)。

“親眼看到結(jié)果非常令人興奮。我們的測試通道中較小的通道完美地拒絕了進入的鹽分子，而較大的通道仍然是對其他海水淡化技術(shù)甚至尖端碳納米管過濾器的改進，”伊藤說：“真正讓我吃驚的是這個過程發(fā)生的速度有多快。我們的樣品比典型的工業(yè)設(shè)備快幾千倍，比實驗性的基于碳納米管的海水淡化設(shè)備快約 2,400 倍?！?/span>

由于氟是電負(fù)性的，它排斥負(fù)離子，例如鹽中的氯。但這種消極性的另一個好處是，它還分解了所謂的水簇，本質(zhì)上是松散結(jié)合的水分子組，因此它們可以更快地通過通道。該團隊的氟基水淡化膜更有效、更快、運行所需的能量更少并且使用起來也非常簡單，那么有什么收獲呢？

“目前，我們合成材料的方式本身是相對能源密集型的；然而，這是我們希望在即將進行的研究中改進的地方。而且，鑒于膜的壽命長且運營成本低，總體能源成本將比目前的方法要低得多，”伊藤說：“我們希望采取的其他步驟當(dāng)然是擴大規(guī)模。我們的測試樣品是單個納米通道，但在其他專家的幫助下，我們希望在幾年內(nèi)制造出大約 1 米寬的膜。與這些制造問題同時，我們還在探索是否可以使用類似的膜來減少工業(yè)排放的二氧化碳或其他有害有毒物質(zhì)?！?/span>

結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。