新的水净化技术有助于将海水转化为饮用水，无需大量化学品

（图：将碳布电极插入流通池进行海水淡化）

减少传统海水淡化厂的酸碱处理可以在全球范围内节省数十亿美元，使海水成为更实惠的饮用水选择。

海水淡化厂可以用新的碳布电极取代昂贵的化学品，去除海水中的硼，这是将海水转化为安全饮用水的重要一步。密歇根大学和莱斯大学的工程师在《自然水》杂志上发表了一项描述这项新技术的研究。

硼是海水的天然成分，当硼潜入传统过滤器以去除盐分时，它就会成为饮用水中的有毒污染物。海水中的硼含量大约是世界卫生组织对安全饮用水比较宽松的限值的两倍，比许多农业植物的耐受性高出 5 到 12 倍。

“大多数反渗透膜不能去除太多硼，因此海水淡化厂通常必须进行一些后处理来去除硼，这可能很昂贵，”密歇根大学化学工程和大分子科学与工程助理教授、该研究的共同通讯作者 Jovan Kamcev 说。“我们开发了一种新技术，与一些传统技术相比，这种技术具有相当可扩展性，并且可以以节能的方式去除硼。”

当用酸处理时，研究人员电极中的碳布纤维获得了可以捕获硼的含氧特征

在海水中，硼以电中性硼酸的形式存在，因此它穿过反渗透膜，反渗透膜通常通过排斥称为离子的带电原子和分子来去除盐分。为了解决这个问题，海水淡化厂通常会在其处理过的水中添加碱，这会导致硼酸带负电荷。反渗透的另一个阶段去除新带电荷的硼，然后通过添加酸来中和碱。这些额外的步骤可能成本高昂。

“我们的设备减少了海水淡化的化学和能源需求，显着提高了环境可持续性，并将成本降低了高达 15%，即每立方米处理水约 20 美分，”莱斯大学博士后研究员、研究共同作者潘伟义说。

鉴于 2019 年全球海水淡化能力总计为每天 9500 万立方米，新膜每年可节省约 69 亿美元。

这些节省有助于使海水成为更容易获得的饮用水来源，并缓解日益严重的水危机。根据全球水经济学委员会 2023 年的一份报告，到 2030 年，淡水供应预计将满足 40% 的需求。

新电极通过将硼捕获在布满含氧结构的孔内来去除硼。这些结构特异性地与硼结合，同时让海水中的其他离子通过，从而很大限度地捕获它们可以捕获的硼量。

在两个电极之间放置了一层过滤膜，用于测量膜的导电能力。这有助于他的团队预测它净化水的能力。

但捕硼结构仍然需要硼带负电荷。电荷不是添加碱，而是通过在两个电极之间分解水来产生，产生正氢离子和负氢氧根离子。氢氧化物附着在硼上，赋予它负电荷，使其粘附在正极孔隙内的捕获位点上。用电极捕获硼还可以使处理厂避免在反渗透的另一个阶段花费更多能量。之后，氢离子和氢氧根离子重新结合产生中性、无硼的水。

该图显示了研究人员的电极如何去除硼。首先，通过反渗透去除大部分盐离子。然后水流入一个细胞，其中包含具有正（粉红色）和负（橙色）层的膜。带类似电荷的电极面向膜层，当施加电流时，膜界面处的水分子分裂成氢离子和氢氧根离子。氢氧根离子粘在硼上，使其粘在正极上。