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The Open Membrane Database: 膜研究的首个开源数据库

发布日期:2022-03-21 来源:IWA国际水协会

学水处理的朋友在大学课本中都看过类似下面的图片,它很形象地帮助我们记住了微滤、超滤、纳滤和反渗透的区别。但还有很多知识信息是课本中没有的,例如不同厂家生产出来的反渗透膜究竟有何区别,又或者现在反渗透都用到什么项目中。好消息是,最近有一个新建的开源数据库可以帮助大家了解更多的膜知识。


不同孔径的膜的过滤效果

膜研究的瓶颈期

虽然学界没有统一定论,但有一个观点是认为反渗透技术的工程化实践研究是在20世纪50年代开始的。当时肯尼迪政府为了解决美国干旱地区的水资源短缺和过度开采地下水问题,开始将目光投向海水淡化。1952年,美国国会通过《盐水转化法案(Saline Water Conversion Act)》,并于1953年开始资助脱盐技术的研究。到了1955年,美国内务部还设立了专门工作办公室--Office of Saline Water(简称OSW),以便统筹各种海水淡化技术的研究。在1970年,OSW每年的运作经费就已经增至约2600万美元。有文献认为1949年加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Gerald Hassler等人最早启动了膜脱盐研究。1950年,他在UCLA的一份内部报告中描述了“盐排斥渗透膜”(Salt Repelling Osmotic Membrane)的概念,并在19568月的另一份校内报告中首先创造了“Reverse Osmosis”一词。Gerald Hassler的研究为后来Sydney LoebSrinivasa Sourirajan在反渗透方面的成就奠定了基础。

经过半个多世纪的发展,海水淡化反渗透技术已经相当成熟。其中聚酰胺复合膜是最主流的膜材料之一,但由于它易结垢等局限性,过去十年反渗透膜材料的研究又重新兴起。

1990-2020年间的反渗透海水淡化膜的论文数 

业界一般认为分离工艺最理想的膜材料需要具有高透水性和高水-盐选择性,后者尤为重要。但两个参数不可兼得,研究人员需要进行折衷选择。这使得目前这两者的比率限制在1-3L//h/bar之间。


. 根据发表论文年份统计的膜性能参数分布图

上边这张图反映了一个问题:尽管学界一直在研究RO 膜,但它们的性能从 1990 年至今,其实改善幅度非常有限。其中很大程度是因为膜技术的创新和设计受限于实际的经验方法——由于分子水平的致密聚合物膜传质知识的缺失,亚纳米孔膜(自由体积元素)的运作原理仍然是个黑匣子。要想取得性能上的进一步突破,研究团队认为改进目前膜的合成、结构和性能之间的关系是其中的关键。


众多因素决定膜的性能

打破信息的隔阂墙
  
实际上,气体分离、晶体学、结构生物学和其他领域都已成功开发了各自领域的开放数据库,但反渗透膜领域还没有类似的数据库。为了帮助膜圈工作者更好地获得全局信息,来自美国、比利时、中国香港和以色列四间高校的团队,联合开发了名为Open Membrance DatabaseOMD)的数据库,他们希望创建这平台来收集、分享和传播相关的数据信息。读者们可以通过以下网址访问该数据库:www.openmembranedatabase.org

据介绍,这将是一个不断更新的数据库,目前汇总了从自1975 年以来发表过的600多种海水淡化和净水膜,信息源自同行评审的期刊(63%)、注册专利(29%)和公开的商业产品数据信息(8%)


这个1.0版的数据库目前主要侧重于反渗透膜的性能特征及其物理化学特性。相比在搜索引擎或者期刊数据库搜索相关论文,这个数据库有几个优势,建库团队将这些优势总结成下表,在研究合成-结构-性能关系方面,OMD 提供了几个优于当前现状的优势。


简易使用指南
  
在这个数据库里,开发者根据目前常见的膜结构,将反渗透膜分成了以下四类,包括了非对称膜、薄层纳米复合膜(TFN)、薄层复合膜(TFC)和无机膜。数据库会直接收集相关文献的A/B系数值,并不会做任何更改或重新计数,以此保留相应报告的知识完整性。数据库能识别原始报告中是否提供了有关浓差极化(concentration polarization, CP)模量计算的详细信息。


目前该数据库是可以免费使用的,而且不需要注册。他们鼓励相关研究员上传他们最新的数据结果,但不一定是最好的性能数据。当然,目前只允许提交经同行评审的期刊上发表的研究结果,而且需要有效的 DOI,以防错误、有偏见或误导性的数据入库。

这个网站有交互式图表和搜索功能方便用户探索数据,用户可以对比各种膜性能的参数。下边是一个演示截图,图标的x轴固定为A系数,而y轴可以在不同性能之间切换,例如A/BRrealRobs。轴的大小也可以在对数法线和线性之间进行调整。

用户还可以对选择性层化学、膜结构和报告年份进行排序。大家能够从这图看出自1970年代以来膜研究的演变,而且能清楚看到大多数研究工作是如何向 TFC 聚酰胺膜集中的。


小结

在各行各业都谈大数据的年代,这个联合团队搭建的开源膜信息数据库,值得我们每位同行为他们手动点赞。它不仅为大家提供了一个透明的平台,也给大家日后开发各种机器学习模型提供了可靠的数据基础,反过来我们从机器学习模型得到的信息可能也会帮助反渗透膜性能取得颠覆性突破。这个数据库为推进海水淡化和水净化膜的发展带来极大的鼓舞和希望。

当然,这仅仅是个开始。一个数据库的框架设计得再好,没有持续的数据输入,也难有大作为。如果你也从事膜技术的研究,不妨尝试访这个OMD的网址,分享你的数据,为全球膜行业的发展做出贡献。如果你不想分享数据,或者暂时还没有数据可以分享,这也是一个快速了解别人成果的信息平台,或者能为你下一个研究项目提供意想不到的灵感。

如果你刚开始接触膜技术,我们推荐大家报名参加荷兰代尔夫特理工TU Delft的一个公开课 。这个为期7周的课程能帮助你系统性地了解纳滤和反渗透膜的基础知识,最新一期的开课时间为2022216日。