The Open Membrane Database: 膜研究的首個開源數據庫
學水處理的朋友在大學課本中都看過類似下面的圖片，它很形象地幫助我們記住了微濾、超濾、納濾和反滲透的區別。但還有很多知識信息是課本中沒有的，例如不同廠家生產出來的反滲透膜究竟有何區別，又或者現在反滲透都用到什么項目中。好消息是，最近有一個新建的開源數據庫可以幫助大家了解更多的膜知識。
圖. 不同孔徑的膜的過濾效果
膜研究的瓶頸期
雖然學界沒有統一定論，但有一個觀點是認為反滲透技術的工程化實踐研究是在20世紀50年代開始的。當時肯尼迪政府為了解決美國干旱地區的水資源短缺和過度開采地下水問題，開始將目光投向海水淡化。1952年，美國國會通過《鹽水轉化法案（Saline Water Conversion Act）》，并于1953年開始資助脫鹽技術的研究。到了1955年，美國內務部還設立了專門工作辦公室--Office of Saline Water（簡稱OSW），以便統籌各種海水淡化技術的研究。在1970年，OSW每年的運作經費就已經增至約2600萬美元。有文獻認為1949年加州大學洛杉磯分校（UCLA）的Gerald Hassler等人最早啟動了膜脫鹽研究。1950年，他在UCLA的一份內部報告中描述了“鹽排斥滲透膜”（Salt Repelling Osmotic Membrane）的概念，并在1956年8月的另一份校內報告中首先創造了“Reverse Osmosis”一詞。Gerald Hassler的研究為后來Sydney Loeb和Srinivasa Sourirajan在反滲透方面的成就奠定了基礎。
經過半個多世紀的發展，海水淡化反滲透技術已經相當成熟。其中聚酰胺復合膜是最主流的膜材料之一，但由于它易結垢等局限性，過去十年反滲透膜材料的研究又重新興起。
圖. 1990-2020年間的反滲透海水淡化膜的論文數
業界一般認為分離工藝最理想的膜材料需要具有高透水性和高水-鹽選擇性，后者尤為重要。但兩個參數不可兼得，研究人員需要進行折衷選擇。這使得目前這兩者的比率限制在1-3L/㎡/h/bar之間。
圖. 根據發表論文年份統計的膜性能參數分布圖
上邊這張圖反映了一個問題：盡管學界一直在研究RO 膜，但它們的性能從 1990 年至今，其實改善幅度非常有限。其中很大程度是因為膜技術的創新和設計受限于實際的經驗方法——由于分子水平的致密聚合物膜傳質知識的缺失，亞納米孔膜（自由體積元素）的運作原理仍然是個黑匣子。要想取得性能上的進一步突破，研究團隊認為改進目前膜的合成、結構和性能之間的關系是其中的關鍵。
圖. 眾多因素決定膜的性能
打破信息的隔閡墻
實際上，氣體分離、晶體學、結構生物學和其他領域都已成功開發了各自領域的開放數據庫，但反滲透膜領域還沒有類似的數據庫。為了幫助膜圈工作者更好地獲得全局信息，來自美國、比利時、中國香港和以色列四間高校的團隊，聯合開發了名為Open Membrance Database（OMD）的數據庫，他們希望創建這平臺來收集、分享和傳播相關的數據信息。讀者們可以通過以下網址訪問該數據庫：www.openmembranedatabase.org
據介紹，這將是一個不斷更新的數據庫，目前匯總了從自1975 年以來發表過的600多種海水淡化和凈水膜，信息源自同行評審的期刊(63%)、注冊專利(29%)和公開的商業產品數據信息(8%)。
這個1.0版的數據庫目前主要側重于反滲透膜的性能特征及其物理化學特性。相比在搜索引擎或者期刊數據庫搜索相關論文，這個數據庫有幾個優勢，建庫團隊將這些優勢總結成下表，在研究合成-結構-性能關系方面，OMD 提供了幾個優于當前現狀的優勢。
簡易使用指南
在這個數據庫里，開發者根據目前常見的膜結構，將反滲透膜分成了以下四類，包括了非對稱膜、薄層納米復合膜(TFN)、薄層復合膜(TFC)和無機膜。數據庫會直接收集相關文獻的A/B系數值，并不會做任何更改或重新計數，以此保留相應報告的知識完整性。數據庫能識別原始報告中是否提供了有關濃差極化(concentration polarization, CP)模量計算的詳細信息。
目前該數據庫是可以免費使用的，而且不需要注冊。他們鼓勵相關研究員上傳他們最新的數據結果，但不一定是最好的性能數據。當然，目前只允許提交經同行評審的期刊上發表的研究結果，而且需要有效的 DOI，以防錯誤、有偏見或誤導性的數據入庫。
這個網站有交互式圖表和搜索功能方便用戶探索數據，用戶可以對比各種膜性能的參數。下邊是一個演示截圖，圖標的x軸固定為A系數，而y軸可以在不同性能之間切換，例如A/B、Rreal或Robs。軸的大小也可以在對數法線和線性之間進行調整。
用戶還可以對選擇性層化學、膜結構和報告年份進行排序。大家能夠從這圖看出自1970年代以來膜研究的演變，而且能清楚看到大多數研究工作是如何向 TFC 聚酰胺膜集中的。
小結
在各行各業都談大數據的年代，這個聯合團隊搭建的開源膜信息數據庫，值得我們每位同行為他們手動點贊。它不僅為大家提供了一個透明的平臺，也給大家日后開發各種機器學習模型提供了可靠的數據基礎，反過來我們從機器學習模型得到的信息可能也會幫助反滲透膜性能取得顛覆性突破。這個數據庫為推進海水淡化和水凈化膜的發展帶來極大的鼓舞和希望。
當然，這僅僅是個開始。一個數據庫的框架設計得再好，沒有持續的數據輸入，也難有大作為。如果你也從事膜技術的研究，不妨嘗試訪這個OMD的網址，分享你的數據，為全球膜行業的發展做出貢獻。如果你不想分享數據，或者暫時還沒有數據可以分享，這也是一個快速了解別人成果的信息平臺，或者能為你下一個研究項目提供意想不到的靈感。
如果你剛開始接觸膜技術，我們推薦大家報名參加荷蘭代爾夫特理工TU Delft的一個公開課 。這個為期7周的課程能幫助你系統性地了解納濾和反滲透膜的基礎知識，最新一期的開課時間為2022年2月16日。
