来自石溪大学和美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的一组研究人员首次揭示了用于反渗透的膜的分子结构。该研究报告发表在ACS Macro Letters最近发表的一篇论文中，该论文是美国化学学会(ACS)的期刊。

根据国际水协会的说法，反渗透是将微咸水或海水转化为饮用水或饮用水的主要方法，它每天用于制造约25,000,000加仑的淡水。

“大部分地球的水都在海洋中，只有百分之三是淡水，因此净水是满足日益增长的饮用水需求的重要工具，”Brookhaven Lab资深科学家Benjamin Ocko说。“反渗透不是一项新技术;然而，许多非常薄的聚合物薄膜的分子结构，尽管它具有重要性，但作为反渗透膜中的阻挡层，以前是不知道的。“

用于反渗透膜的薄聚合物阻挡层是半透性的。诸如水的小分子可以从膜的一侧穿过另一侧，但是其他分子，例如水合的钠离子或氯离子，不能穿过阻挡层。这种特性使得这些膜能够将盐从盐水中过滤出来以制造饮用水。在商业反渗透过程中，加压咸水以迫使淡水通过膜。

由于必须通过膜挤压海水，因此反渗透设备的能量消耗很高。为了制造100加仑的反渗透淡水，能源成本约为1千瓦时，相当于运行100瓦的灯泡10小时。

“即使是过滤膜性能的微小改进也会在全球范围内节省大量能源和成本，”Stony Brook大学的杰出教授Benjamin S. Hsiao说。“因此，我们正在分子水平上看膜。我们想弄清楚分子结构如何为高效膜提供帮助，并利用这些知识设计出改进的膜。“

对于这些测量，该团队使用一种称为界面聚合的方法在油/水界面制作了明确的聚合物薄膜，这与工业过程类似。像两部分环氧树脂一样，将一种分子组分加入水中，另一种加入油中。在界面处，水和油接触 - 像沙拉酱中的油和醋之间的界面 - 两种分子组分相互反应并产生非常薄的聚合物薄膜。

“由此产生的薄膜只是人类头发厚度的千分之一。它在结构上也类似于商业反渗透膜中的薄屏障层，但它更加平滑，“墨西哥圣路易斯波托西自治大学教授Francisco Medellin-Rodriguez说。“要研究这些薄膜，我们需要超亮X射线，以及先进的分析和模拟工具。”

通过使用来自布鲁克海文DOE科学用户设施国家同步加速器光源II(NSLS-II)的超亮X射线，研究人员开始揭示膜的分子结构与其有效性之间的关系。

根据Stony Brook大学研究生和该研究的主要作者Qinyi Fu的说法，“为了解决膜的分子结构，研究小组使用一种称为掠入射广角x的技术研究了X射线的散射模式在NSLS-II的复杂材料散射(CMS)和软物质界面(SMI)光束线上的射线散射。

在这种技术中，X射线以微小角度撞击膜并从表面散射。然后它们被检测器捕获，该检测器记录所谓的X射线的散射模式，该散射模式特定于膜的分子结构。

“在散射模式中，我们能够识别分子堆积基序：聚合物中相邻分子如何相对于彼此排列。一个是平行图案，第二个是垂直图案，“Ocko说。“虽然两个填料图案都存在，但垂直填料图案与最佳过滤性能更好地相关。”

萧补充说：“我们的研究结果还表明，分子结构相对于膜表面是优先取向的。这是相当有趣的，可能与膜中的水通道如何定向有关。“

最近，该团队已开始研究为商业水净化系统制造的反渗透膜。用于制备这些膜的化学品与用于在油/水界面处制备膜膜的化学品相同。

“商业流程受到公司商业秘密的保护，精确的制造条件尚不清楚，”Ocko说。“尽管如此，我们的研究结果表明，商业膜具有与我们实验室在油/水界面制备的模型膜相似的结构特性，包括平行和垂直的图案以及优先的分子取向。”