二氧化碳无膜法水处理 能量消耗比传统方法少1000倍？

最近发表的一项科学研究表明，在能量消耗方面，一种使用二氧化碳过滤水的新工艺比传统方法少一千倍。这项研究由爱尔兰利默里克大学的Orest Shardt博士和Sangwoo Shin博士（现供职于夏威夷大学马诺阿分校）领导主持，去年他们在普林斯顿大学（美国）担任博士后研究员。

随着全球对清洁水需求的增长，需要不断提升水处理工艺的性能。Shardt博士期待这种使用二氧化碳的方法能够应用在各种行业中，例如矿业、食品和饮料生产、制药生产以及水处理过程。这项研究发表在《Nature Communications》杂志上，该研究表明这种新的方法能够轻松地扩大规模，作者表示：“这项技术能够使发展中国家以及发达国家获益。”这种新方法也能够有效地去除细菌与病毒而无需使用氯化处理或者紫外消毒。Shardt博士说到：“我们目前处于这个概念的早期发展阶段。最终，这项技术能够用于净化供人类使用的水以及来自工业生产设施的污水。”

目前，水过滤技术例如微滤与超滤一般是使用一种多孔膜来去除水中的悬浮物及溶质。这些过程使得悬浮物通过比自身尺寸更小的多孔材料来捕捉和去除悬浮颗粒，例如细土粉。在这个过程中，能量必定浪费在克服水通过这些小通道的摩擦力上。这些过滤方法存在一些缺点，例如高压泵输送成本以及由于膜污染而定期更换膜等。

Shardt和Shin博士展示了一种通过使胶体悬浮液暴露于二氧化碳中的方法来替代膜分离法分离悬浮颗粒。这种方法的原理是溶解在悬浮液中的二氧化碳产生溶质梯度，从而驱动粒子的运动。其中，由于碳酸离解所产生大的扩散电势，胶体颗粒根据其表面电荷移动离开或朝气液界面移动，因此能够显著降低能量消耗。其研究所涉及的仪器包括：压力调节设备（Type-10, Bellofram），数字式压力表（DPG1000B, Omega），去离子水（Milli-Q, Millipore），倒置显微镜（DMI4000B, Leica），zeta电位（Zetasizer Nano-ZS，Malvern），循环泵（PhD Ultra, Harvard Apparatus）。

Shardt博士说：“这个演示设备由标准硅聚合物制成，这种材料经常用于微流体的研究并且与家用密封剂相似。虽然我们还未分析基于我们设备放大过程的资本和运营成本，但泵送能量的需求仅为常规过滤方法的0.1%（约为0.12 mW·h/L），这表明这种方法值得进一步研究。我们现在需要继续研究这种方法对其他化合物的去除效果，并且了解这些化合物在去除过程中的影响，例如在天然水体以及工业废水中出现的盐以及可溶解有机物。这个会影响我们如何优化操作条件、设计反应流程以及扩大流程。”这项关于二氧化碳溶解驱动的颗粒运输机理的演示不限于颗粒分离，也能够解释一些其他二氧化碳溶解应用的机理，例如通过在气泡表面组装的稳定化和利用二氧化碳增强泡沫浮选。

自从九月加入利默里克大学贝纳尔研究所以来，项目经费达到了8600万欧元。Shardt博士正在继续研究水净化过程的数学建模和数学模拟以及它所基于的物理现象。Shardt博士总结道：“作为一个初到爱尔兰的人，我现在正在寻找能够与我共同在这个领域研究并且有激情的博士生。我相信，有创造力的学生能够找到提高这种方法的新思路，并且能以意想不到的方式应用。”