碳纳米管：应用于海水淡化技术，助力解决世界水资源问题

海水淡化是人类社会面临的共同课题

联合国儿童基金会（UNICEF）发布报告称，全世界约有6.6亿人无法获得安全的饮用水，每年有30万婴幼儿因水污染而丧命。饮水问题不光被列为联合国可持续发展目标（SDGs）的第六个目标，而且水还与其他许多主题相关。例如，有很多女性被迫在艰苦条件下去取水，有很多孩子也因为取水而无法充分接受教育。在海水淡化国际会议上，也有人发表关于水与性别平等、教育机会均等紧密相关的论文。世界上自来水能够直接饮用的国家只有十几个。在自来水基础设施老化和水源恶化背景下，提高生活用水质量成为紧迫课题。

国际社会正朝碳中和方向大步迈进。以沙特阿拉伯为首的中东国家正在计划增加植被和保护海洋生物，就是其中一个潮流。因此，可持续发展的海水淡化技术成为必要条件。随着全球变暖而出现的沙漠化，以及人口增多、经济增长等原因，导致水消费急剧增加，水资源紧张状况日益突出。通过海水淡化技术的进步和制水技术的革新来开拓水资源，是人类社会面临的共同课题。

位于沙特阿拉伯西海岸的海水淡化工厂（Photo courtesy of the Saline Water Conversion Corporation of the Kingdom of Saudi Arabia）

反渗透膜技术进步使成本降低

在海水淡化利用方面，目前的主要技术路线是“反渗透膜法”。就是利用反渗透原理，只让水分子能够通过有无数细微孔洞的膜，从而将盐分从海水中过滤掉，从而制备淡水。目前，全世界每天用这种方法生产6500万吨水，这相当于拥有约1400万人口的东京都自来水日用量的14倍。经过这种方式淡化处理后的水，60%用作城市用水，30%用作工业用水。反渗透膜技术已经为人类做出了巨大的贡献。

位于沙特阿拉伯西海岸的海水淡化工厂内部，安装有圆筒状海水淡化模块。模块内置反渗透膜，这种膜可将盐分从海水中分离出去（Photo courtesy of the Saline Water Conversion Corporation of the Kingdom of Saudi Arabia）

反渗透膜自20世纪70年代成功研发出来后，进行了诸多改良。现在被广泛应用的反渗透膜，是由一种名为“交联芳香族聚酰胺”的高分子尼龙制成的，是一种厚度只有几百纳米（千万分之一米）的薄膜。使用反渗透膜淡化海水的技术，作为一种安全可靠的制水方法，正在为世界做贡献。但今天这个时代，人们高度重视可持续发展的地球生态环保措施，这就要求还要有进一步的技术革新。

首先应该改善的是降低成本。目前，对反渗透膜施加5-7兆帕的巨大压强，可以去除99.8%的盐分，制备出水来。这一过程需要消耗大量电力，制水成本每吨约1美元。将这一成本降低一半，已成为海水淡化国际会议的目标之一。

如何防止海洋污染，也是必须考虑的问题。在海水淡化过程中，每制备1升饮用水会产生约1.5升的浓缩液体“brine（高浓度盐水）”。由于高浓度盐水中含有两倍于海水浓度的盐分，必须考虑其对海洋生态系统的影响，特别是在封闭性海域环境之中。作为应对措施最值得期待的是，将含有高浓度盐分的废水当作可再利用的矿物资源来看待。目前正在推动从中回收盐分、锂、镁等矿物资源的研发工作。为了削减成本，加强环保措施，必须进一步提升反渗透膜的强韧度。

从海洋环保角度来看也要增强韧性

为了减缓反渗透膜老化，提高其强度，重要的是要减少附着在膜上的污垢。海水中含有浮游生物等各种杂质，因此在海水过滤阶段会发生膜被堵塞的现象。海藻中的褐藻酸和植物腐败产生的腐殖酸等天然有机物，是特别难以去除的污垢。这些污染物会使反渗透膜的分子层级扩散路径发生堵塞，降低膜的透水性能和脱盐率。这样一来，即便提高施加在膜上的压力也无法保证制备水量，只能停止运作。虽然将海水淡化装置暂时停转，把纯水灌入膜中，是可以洗掉膜表面的污垢的。这也是需要成本的。

而为了减少堵塞膜，必须提前用药剂处理准备淡化的海水，通过化学预处理方法去除海水中的杂质。在此过程中使用的药剂，会在无害化处理后遗弃到海里。从海洋环保的观点来看，我们要将药剂的使用量控制到最低。如果膜的耐久性得以提高，所需药剂的总量就能减少。因此，基于这一点，人们热切期待出现更加强韧的反渗透膜。

成功开发出全新的反渗透膜

为了回应这种需求，2013年，我们在信州大学成立了产官学联动的研究机构“全球水创新中心”，使用纳米技术（超微技术）的代表性材料——碳纳米管研究开发反渗透膜。碳纳米管是同时具备“碳”“纳米（十亿分之一米）”“圆筒”这三种要素的物质，在铁等金属粒子的催化作用和约1000℃的温度下，可由甲烷等碳氢化合物生成。它只有五万分之一头发丝那么细，重量极轻，强度是钢的数十倍，而且化学特性稳定，能高效导热导电，因此被用作锂离子电池的电极材料，为电池性能的提升做出了贡献。除此之外，它还作为网球拍和高尔夫球杆的长柄等碳纤维增强树脂的添加材料被广泛使用。碳纳米管可以用生物甲烷来制备，此种情况下会生成副产品氢气，属于一种环保型纳米材料。

2018年，信州大学在现有的交联芳香族聚酰胺中混入碳纳米管，成功研发出全新的反渗透膜。因为混合了比例恰当的纳米材料，所以膜本身自带正电，表面的凹凸也减少了。结果，那些被称为“foulants（污垢）”的杂质就很难附着在膜上了。

上图为传统反渗透膜。下图为信州大学开发的纳米复合膜。左边是48小时后，右边是52小时后。被染成绿色的蛋白质牢牢地粘附在传统膜上。但在纳米复合膜上，附着的蛋白质小块52小时后就会脱落，几乎完全消失（提供：信州大学）

左边传统膜（蓝色部分）上牢牢地粘着蛋白质，右边信州大学开发的膜堵塞物较难附着，在水流冲击下污垢容易剥落（提供：信州大学）

如果将含有碳纳米管、不易堵塞的纳米复合膜推广商用，就有可能实现符合环保世纪潮流的“绿色海水淡化技术”，既节能，又能尽量少地使用药剂，有利于生态环境。

使用纳米复合膜的海水淡化模块。海水经由这个模块将盐分去除。断面之所以呈黑色，是因为其由碳纳米管复合构造而成（提供：信州大学）

安装在信州大学国际科学创新中心里的纳米复合膜生产线（提供：信州大学）

从2020年开始，在北九州的“北九州水广场”，通过纳米复合膜将真实的海水进行淡化处理，其针对污染物质的性能得到验证。通过这类实验，能够证明与以往的膜相比，各种药剂使用量能显著降低，膜的使用寿命也能够延长。基于实验结果我们可以期待，海水淡化装置能运行得更久，运营成本也有望减少10-15%。甚至还能简化海水预处理设备装置，而这原本是成本居高不下的原因之一。

安装在“北九州水广场”上的海水淡化示范设备。集装箱内，正在开展评估纳米复合膜耐久性等特性的实验（提供：信州大学）

目前，我们正在与国内外海水淡化相关企业和研究机构合作，推进将这种纳米复合膜实装到海水淡化装置的研究。此外，信州大学开发的反渗透膜，也可用于下水处理和至今尚未被充分利用的工厂排水再利用方面，在构建与环境、社会相协调的水资源再利用系统方面也大有前景。我相信，在碳纳米管技术研究方面处于世界最尖端地位的信州大学所研发的纳米复合膜，将对解决世界水资源问题做出巨大贡献。

标题图片：碳纳米管示意图（提供：信州大学）

版权声明：本网站的所有文字内容及图表图片，nippon.com日本网版权所有。未经事先授权，禁止任何形式的转载或部分复制使用。