高解析 3D 結構圖譜協助高效節能海水淡化薄膜設計
以色列理工學院（Technion – Israel Institute of Technology）化學工程系 Tamar Segal-Peretz 博士以及土木與環境工程系的 Guy Ramon 博士，攜手德州大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）組成跨國研究團隊，發表了針對海水淡化與水質淨化應用的薄膜結構圖譜研究，該成果預期將有助於改善薄膜的設計與性能。此研究發表於《ACS Nano》期刊，並被選為期刊封面論文。
相較以往相關研究多著重在乾燥狀態薄膜進行特徵分析，在此研究首次同時觀察了濕潤狀態的薄膜，結果發現兩者之間存在顯著差異。這些差異會直接影響薄膜過濾效能，該結果對於開發更高效的海水淡化與水質淨化薄膜具有高度參考價值。
根據世界衛生組織（WHO）資料，全球約有四分之一人口仍缺乏安全飲用水。潔淨水源被列為聯合國永續發展目標（SDGs）之一，使得海水淡化與水資源再利用技術的重要性日益凸顯，尤其在像以色列這樣的乾旱地區，尤其關鍵。以色列目前擁有的五座海水淡化廠提供約七成的國內用水，此外約 85% 的廢水經處理後再利用於農業。
反滲透（Reverse Osmosis, RO）技術是目前最普遍的海水淡化方法。其原理是利用一層能阻擋鹽分與雜質的薄膜，使水分子通過，而在自然滲透中，水會從稀溶液流向濃溶液，直至濃度平衡；反滲透則透過外加能量反轉此流向，使水由高濃度溶液（如海水）流向低濃度溶液（即淡化水）。此技術使人類得以從海水、微鹹水與廢水等非典型水源中製得可飲用淡水。儘管反滲透薄膜是現代海水淡化技術的核心，但對於薄膜微觀結構與過濾性能之間的關聯仍存在關鍵知識缺口。這項挑戰源於薄膜本身極為微細（約 200 奈米厚），且具複雜的三維形貌，難以透過傳統方法（如原子力顯微鏡 AFM）進行精確表徵。
此研究首次在水飽和條件下，以高解析三維成像方式繪製出薄膜形貌圖，該條件與實際反滲透操作環境極為接近。研究團隊利用低溫穿透式電子顯微鏡（cryo-TEM）斷層掃描技術，在薄膜完全水合並冷凍的情況下進行觀測。結果顯示，水分會顯著改變薄膜結構，使其體積膨脹約 30% 以上。由於以往針對薄膜的電子顯微分析僅限於乾燥樣本，這項成果凸顯出重要科學應用突破。這種創新奈米級結構描繪方式，預期將大幅改善未來淡化薄膜的設計與性能，進一步推進海水淡化與水再利用技術的發展。
資料來源： https://www.technion.ac.il/en/blog/article/toward-improved-desalination/
原始論文：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01190
