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學(xué)水處理的朋友在大學(xué)課本中都看過(guò)類(lèi)似下面的圖片，它很形象地幫助我們記住了微濾、超濾、納濾和反滲透的區(qū)別。但還有很多知識(shí)信息是課本中沒(méi)有的，例如不同廠家生產(chǎn)出來(lái)的反滲透膜究竟有何區(qū)別，又或者現(xiàn)在反滲透都用到什么項(xiàng)目中。好消息是，最近有一個(gè)
新建的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)可以幫助大家了解更多的膜知識(shí)。
圖. 不同孔徑的膜的過(guò)濾效果
膜研究的瓶頸期
雖然學(xué)界沒(méi)有統(tǒng)一定論，但有一個(gè)觀點(diǎn)是認(rèn)為反滲透技術(shù)的工程化實(shí)踐研究是在20世紀(jì)50年代開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)肯尼迪政府為了解決美國(guó)干旱地區(qū)的水資源短缺和過(guò)度開(kāi)采地下水問(wèn)題，開(kāi)始將目光投向海水淡化。1952年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)《鹽水轉(zhuǎn)化法案（Saline Water Conversion Act）》，并于1953年開(kāi)始資助脫鹽技術(shù)的研究。到了1955年，美國(guó)內(nèi)務(wù)部還設(shè)立了專(zhuān)門(mén)工作辦公室--Office of Saline Water（簡(jiǎn)稱(chēng)OSW），以便統(tǒng)籌各種海水淡化技術(shù)的研究。在1970年，OSW每年的運(yùn)作經(jīng)費(fèi)就已經(jīng)增至約2600萬(wàn)美元。有文獻(xiàn)認(rèn)為1949年加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的Gerald Hassler等人最早啟動(dòng)了膜脫鹽研究。1950年，他在UCLA的一份內(nèi)部報(bào)告中描述了“鹽排斥滲透膜”（Salt Repelling Osmotic Membrane）的概念，并在1956年8月的另一份校內(nèi)報(bào)告中首先創(chuàng)造了“Reverse Osmosis”一詞。Gerald Hassler的研究為后來(lái)Sydney Loeb和Srinivasa Sourirajan在反滲透方面的成就奠定了基礎(chǔ)。
經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，海水淡化反滲透技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。其中聚酰胺復(fù)合膜是最主流的膜材料之一，但由于它易結(jié)垢等局限性，過(guò)去十年反滲透膜材料的研究又重新興起。
圖. 1990-2020年間的反滲透海水淡化膜的論文數(shù)
業(yè)界一般認(rèn)為分離工藝最理想的膜材料需要具有高透水性和高水-鹽選擇性，后者尤為重要。但兩個(gè)參數(shù)不可兼得，研究人員需要進(jìn)行折衷選擇。這使得目前這兩者的比率限制在1-3L/㎡/h/bar之間。
圖. 根據(jù)發(fā)表論文年份統(tǒng)計(jì)的膜性能參數(shù)分布圖
上邊這張圖反映了一個(gè)問(wèn)題：盡管學(xué)界一直在研究RO 膜，但它們的性能從 1990 年至今，其實(shí)改善幅度非常有限。其中很大程度是因?yàn)槟ぜ夹g(shù)的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)受限于實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)方法——由于分子水平的致密聚合物膜傳質(zhì)知識(shí)的缺失，亞納米孔膜（自由體積元素）的運(yùn)作原理仍然是個(gè)黑匣子。要想取得性能上的進(jìn)一步突破，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為改進(jìn)目前膜的合成、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系是其中的關(guān)鍵。
圖. 眾多因素決定膜的性能
打破信息的隔閡墻
實(shí)際上，氣體分離、晶體學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和其他領(lǐng)域都已成功開(kāi)發(fā)了各自領(lǐng)域的開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)，但反滲透膜領(lǐng)域還沒(méi)有類(lèi)似的數(shù)據(jù)庫(kù)。為了幫助膜圈工作者更好地獲得全局信息，來(lái)自美國(guó)、比利時(shí)、中國(guó)香港和以色列四間高校的團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了名為Open Membrance Database（OMD）的數(shù)據(jù)庫(kù)，他們希望創(chuàng)建這平臺(tái)來(lái)收集、分享和傳播相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。讀者們可以通過(guò)以下網(wǎng)址訪問(wèn)該數(shù)據(jù)庫(kù)：www.openmembranedatabase.org
據(jù)介紹，這將是一個(gè)不斷更新的數(shù)據(jù)庫(kù)，目前匯總了從自1975 年以來(lái)發(fā)表過(guò)的600多種海水淡化和凈水膜，信息源自同行評(píng)審的期刊(63%)、注冊(cè)專(zhuān)利(29%)和公開(kāi)的商業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息(8%)。
這個(gè)1.0版的數(shù)據(jù)庫(kù)目前主要側(cè)重于反滲透膜的性能特征及其物理化學(xué)特性。相比在搜索引擎或者期刊數(shù)據(jù)庫(kù)搜索相關(guān)論文，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，建庫(kù)團(tuán)隊(duì)將這些優(yōu)勢(shì)總結(jié)成下表，在研究合成-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系方面，OMD 提供了幾個(gè)優(yōu)于當(dāng)前現(xiàn)狀的優(yōu)勢(shì)。
簡(jiǎn)易使用指南
在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里，開(kāi)發(fā)者根據(jù)目前常見(jiàn)的膜結(jié)構(gòu)，將反滲透膜分成了以下四類(lèi)，包括了非對(duì)稱(chēng)膜、薄層納米復(fù)合膜(TFN)、薄層復(fù)合膜(TFC)和無(wú)機(jī)膜。數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)直接收集相關(guān)文獻(xiàn)的A/B系數(shù)值，并不會(huì)做任何更改或重新計(jì)數(shù)，以此保留相應(yīng)報(bào)告的知識(shí)完整性。數(shù)據(jù)庫(kù)能識(shí)別原始報(bào)告中是否提供了有關(guān)濃差極化(concentration polarization, CP)模量計(jì)算的詳細(xì)信息。
目前該數(shù)據(jù)庫(kù)是可以免費(fèi)使用的，而且不需要注冊(cè)。他們鼓勵(lì)相關(guān)研究員上傳他們最新的數(shù)據(jù)結(jié)果，但不一定是最好的性能數(shù)據(jù)。當(dāng)然，目前只允許提交經(jīng)同行評(píng)審的期刊上發(fā)表的研究結(jié)果，而且需要有效的 DOI，以防錯(cuò)誤、有偏見(jiàn)或誤導(dǎo)性的數(shù)據(jù)入庫(kù)。
這個(gè)網(wǎng)站有交互式圖表和搜索功能方便用戶(hù)探索數(shù)據(jù)，用戶(hù)可以對(duì)比各種膜性能的參數(shù)。下邊是一個(gè)演示截圖，圖標(biāo)的x軸固定為A系數(shù)，而y軸可以在不同性能之間切換，例如A/B、Rreal或Robs。軸的大小也可以在對(duì)數(shù)法線和線性之間進(jìn)行調(diào)整。
用戶(hù)還可以對(duì)選擇性層化學(xué)、膜結(jié)構(gòu)和報(bào)告年份進(jìn)行排序。大家能夠從這圖看出自1970年代以來(lái)膜研究的演變，而且能清楚看到大多數(shù)研究工作是如何向 TFC 聚酰胺膜集中的。
小結(jié)
在各行各業(yè)都談大數(shù)據(jù)的年代，這個(gè)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)搭建的開(kāi)源膜信息數(shù)據(jù)庫(kù)，值得我們每位同行為他們手動(dòng)點(diǎn)贊。它不僅為大家提供了一個(gè)透明的平臺(tái)，也給大家日后開(kāi)發(fā)各種機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，反過(guò)來(lái)我們從機(jī)器學(xué)習(xí)模型得到的信息可能也會(huì)幫助反滲透膜性能取得顛覆性突破。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)為推進(jìn)海水淡化和水凈化膜的發(fā)展帶來(lái)極大的鼓舞和希望。
當(dāng)然，這僅僅是個(gè)開(kāi)始。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的框架設(shè)計(jì)得再好，沒(méi)有持續(xù)的數(shù)據(jù)輸入，也難有大作為。如果你也從事膜技術(shù)的研究，不妨嘗試訪這個(gè)OMD的網(wǎng)址，分享你的數(shù)據(jù)，為全球膜行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。如果你不想分享數(shù)據(jù)，或者暫時(shí)還沒(méi)有數(shù)據(jù)可以分享，這也是一個(gè)快速了解別人成果的信息平臺(tái)，或者能為你下一個(gè)研究項(xiàng)目提供意想不到的靈感。
如果你剛開(kāi)始接觸膜技術(shù)，我們推薦大家報(bào)名參加荷蘭代爾夫特理工TU Delft的一個(gè)公開(kāi)課 。這個(gè)為期7周的課程能幫助你系統(tǒng)性地了解納濾和反滲透膜的基礎(chǔ)知識(shí)，最新一期的開(kāi)課時(shí)間為2022年2月16日。
