Az utóbbi időben kínai és amerikai kutatók jelentős előrehaladást értek el a fordított ozmózisos membrános vízkezelés kutatási irányában. Új membránanyag-poliészter membránanyagot (DHMBA) fejlesztettek ki, amely széleskörű alkalmazási kilátásokkal rendelkezik a tengervíz sótalanításában, a települési szennyvíztisztításban és más területeken.
Ezt az eredményt a közelmúltban publikálták a Science-ben. Ezt az eredményt Zhang Xuan professzor, a Nanjing Tudományos és Technológiai Egyetem munkatársa, Huo Mingxin és Wang Xianze csapata a Northeast Normal University Környezetvédelmi Iskolájából, valamint Menachem Elimelech professzor (Yale Egyetem), az Amerikai Mérnöki Akadémia akadémikusa közösen érte el. .
A „poliészter membrán” kihívást jelent a „poliamid membrán” számára
Mivel az egyetlen technológia, amely képes megvalósítani az édesvízforrások nyílt forráskódú növelését a forrásból, a tengervíz sótalanítása az első választás a globális vízhiány-probléma megoldására, és fontos része országom „vízbiztonsági” tervének átalakításának.
Jelenleg a fő kereskedelmi tengervíz-sótalanító membrán típus a kompozit poliamid fólia (TFC-PA), amely között a DuPont, a Hydraulic Energy, a Toray és más egyesült államokbeli vállalatok termékei foglalják el a globális piaci részesedés túlnyomó többségét.
A vékonyrétegű kompozit fordított ozmózisos membránok közel fél évszázada a sótalanítás és a víztisztítás aranystandard technológiája. A poliamid vékonyréteg kompozit fordított ozmózisos (TFC-RO) membránok kiváló elválasztási hatékonyságuk miatt a választott technológiává váltak a sótalanításban és a szennyvíz újrafelhasználásában.
Ezeket a membránokat határfelületi polimerizációval állítják elő, ami érdes felületet eredményez, amely érzékeny a szennyeződések adszorpciójára. Bár az oxidálószerek csökkenthetik a biológiai szennyeződést, a poliamid membránok könnyen megsérülnek klór jelenlétében.
Ezért az ipari vízkezelés költséges előkezelési lépéseket igényel, mint például a koaguláció, a lerakódásgátló szerek hozzáadása, a fertőtlenítés és a klórmentesítés a membránok védelme érdekében. Bár a közelmúltban megjelentek a szennyeződés- és klórálló membránok, sótalanítási teljesítményük gyengébb, mint a poliamid membránoké.
Speciális eset a PES hordozón kialakított poliészter szelektív réteg, amely jó klórállóságot és sótalanító képességet mutat, de 8 pH felett érzékeny a hidrolízisre.0. A kemény membránok fejlesztése, amelyek elkerülhetik az előkezelést, jelentősen csökkentik a sótalanítás költségeit és a környezeti hatásokat.
E problémák megoldása érdekében Zhang Xuan professzor kutatócsoportja a NUST-nál 2014-ben anyagi innovációt kezdett kidolgozni a fordított ozmózisos membránok területén, és számos alkalmazott alapkutatást végzett. Emellett a poliészter elválasztó membrán anyagrendszerre összpontosítottak, és folytatták a szerkezetalkotást és a technológiai innovációt.
Végül a kutatók megterveztek egy poliészter film kompozit fordított ozmózisos membránt (DHMBA), amely erős vízáteresztő képességgel rendelkezik, nagy ellenálló képességgel rendelkezik a nátrium-kloriddal és bórral szemben, valamint teljes mértékben ellenáll a klórnak. A poliamid membránokhoz képest az ultrasima, alacsony energiaigényű membránfelület megakadályozza a szennyeződést és az ásványi lerakódást is.
Ezek a membránok lehetőséget nyújtanak a tengervíz sótalanításának előkezelési lépéseinek nagymértékű csökkentésére a víz-só szelektivitás további optimalizálásával, így egyre nagyobb kihívást jelentenek a poliamid membránok számára.
Ezenkívül a DHMBA poliészter fordított ozmózisos membrán követi a meglévő kereskedelmi membránok gyártási folyamatát, ami javítja a nagyüzemi gyártás megvalósíthatóságát, ami mérföldkő a fordított ozmózis ipar fejlődésében.
Melyek az új membránanyag továbbfejlesztett tulajdonságai?
1. Sótalanítási teljesítmény
A kutatók jellemezték az elkészített DHMBA membránt, és megerősítették, hogy felülete hibamentes, és a térhálósodási sűrűsége több mint 92%, ami stabil poliészter szerkezet kialakulását jelzi.
A pásztázó elektronmikroszkópos és atomerőmikroszkópos megfigyelések azt mutatták, hogy a membrán felülete sima és kevésbé érdes, mint a hagyományos poliamid membránoké.
Az atomszonda és más technikák tovább erősítették a membrán egyenletességét és megfelelő vastagságát. A kereskedelmi forgalomban lévő membránokhoz képest a DHMBA membrán jobban teljesített a sótalanítási teljesítményben, különösen a sókiszorítás és a vízáramlás tekintetében.
Ezenkívül a jelenlegi technológiáknál jobban teljesített a bór eltávolításában, ami azt mutatja, hogy képes magas eltávolítási sebességet fenntartani különböző körülmények között, ami összefügghet egyedi kémiai és töltési jellemzőivel.
2. Membrán klór stabilitása
A kutatók a DHMBA és az SW30 membránok klórstabilitását is tesztelték. A korábbi tanulmányokkal összhangban az SW30 poliamid alapú membránjainak teljesítménye gyorsan romlott, ha aktív klórnak voltak kitéve minden pH-körülmény között, különösen savas körülmények között a HOCl-fajták közvetlen korróziója miatt.
Ezzel szemben a DHMBA membrán kiváló antioxidáns tulajdonságokat mutatott, mivel a szerkezetében meghatározott helyeken lévő szubsztituensek megakadályozták a közvetlen klórozási reakciókat.
A DHMBA membrán különösen savas pH-érték 0 mellett stabil sótalanítási teljesítményt tartott fenn, és a DFT-számítások és az XPS-eredmények alátámasztották ezt a következtetést, jelezve, hogy ellenáll az aromás szubsztitúciós reakcióknak.
Semleges pH-körülmények között a DHMBA membrán akár 2 000 óráig is képes megőrizni a stabilitást a vizsgálatok során, és ellenáll a rendkívül magas koncentrációjú szabad klór expozíciónak akár 9,0 pH-értéknél is, bizonyítva kiváló lúgállóságát. .
3. Membrán lerakódásgátló
A kutatók összehasonlították a poliészter membránok és az SW30 membránok képességét a szervetlen (ásványi) és szerves szennyező anyagok kezelésére.
Modellgipszes oldatokkal és szimulált tengervízzel tesztelve a poliamid alapú SW30 membrán vízárama gyorsan csökkent, míg a poliészter membrán teljesítménye lényegében változatlan maradt 24 órás működés során.
A pásztázó elektronmikroszkópos megfigyelés során látható, hogy a DHMBA membrán felülete a tengervíz sótalanítási tesztje után szinte kiinduló állapotában marad, míg az SW30 membrán felületén kristályok vagy aggregátumok képződnek.
Hasonlóképpen, szimulált szerves szennyeződéseket, például nátrium-alginátot és huminsavat tartalmazó sóoldatok kezelésekor a DHMBA membrán minimális vízáram-csökkenést mutatott az SW30 membránhoz képest. Az FE-SEM felvételek kisebb szennyeződés-felhalmozódást mutattak ki a DHMBA membrán felületén, mint az SW30 membrán felületén kialakult vastag és sűrű szűrőpogácsa.
A DHMBA membránnak ezek a lerakódás- és tapadásgátló képességei az ultrasima, alacsony energiafogyasztású és alacsony töltési tulajdonságainak tulajdoníthatók.
Valódi tengervíz-tesztelés és rendszeres klórkezelési körülmények között a DHMBA membrán kiváló stabilitást mutatott, mindössze 2%-kal csökkent a vízáramlás 15 nap után, ami kiemeli a valós alkalmazásokban rejlő lehetőségeket.