Nylig har kinesiske og amerikanske forskere gjort viktige fremskritt i forskningsretningen for omvendt osmose-membranvannbehandling. De har utviklet et nytt membranmateriale-polyestermembranmateriale (DHMBA), som har brede bruksmuligheter innen avsalting av sjøvann, kommunalt avløpsvannrensing og andre felt.
Denne prestasjonen ble nylig publisert i Science. Denne prestasjonen ble fullført i fellesskap av professor Zhang Xuan fra Nanjing University of Science and Technology, Huo Mingxin og Wang Xianzes team fra School of Environment ved Northeast Normal University, og professor Menachem Elimelech (Yale University), en akademiker ved American Academy of Engineering .
"Polyestermembran" utfordrer "polyamidmembran"
Som den eneste teknologien som kan realisere åpen kildekode-økningen av ferskvannsressurser fra kilden, er avsalting av sjøvann førstevalget for å løse det globale vannmangelproblemet og en viktig del av omformingen av mitt lands "vannsikkerhet"-plan.
For tiden er den vanlige kommersielle sjøvannsavsaltningsmembrantypen sammensatt polyamidfilm (TFC-PA), blant hvilke produktene fra DuPont, Hydraulic Energy, Toray og andre selskaper i USA okkuperer det store flertallet av den globale markedsandelen.
Tynnfilmkomposittmembraner for omvendt osmose har vært gullstandardteknologien for avsalting og vannrensing i nesten et halvt århundre. Polyamid tynnfilm kompositt omvendt osmose (TFC-RO) membraner har blitt den foretrukne teknologien for avsalting og gjenbruk av avløpsvann på grunn av deres utmerkede separasjonseffektivitet.
Disse membranene er fremstilt ved grensesnittpolymerisasjon, noe som resulterer i en ru overflate som er utsatt for adsorpsjon av forurensninger. Selv om oksidanter kan redusere biobegroing, blir polyamidmembraner lett skadet i nærvær av klor.
Derfor krever industriell vannbehandling dyre forbehandlingstrinn som koagulering, tilsetning av bunnstoff, desinfeksjon og deklorering for å beskytte membranene. Selv om begroingsbestandige og klorbestandige membraner nylig har dukket opp, er deres avsaltningsytelse dårligere enn polyamidmembraner.
Et spesielt tilfelle er et polyesterselektivt lag dannet på et PES-substrat, som viser god klormotstand og avsaltingskapasitet, men som er mottakelig for hydrolyse over pH 8.0. Utvikling av tøffe membraner som kan unngå forbehandling vil redusere avsaltingskostnader og miljøpåvirkninger betydelig.
For å løse disse problemene begynte professor Zhang Xuans forskerteam ved NUST å legge ut materialinnovasjon innen omvendt osmosemembraner i 2014 og utførte et stort antall anvendt grunnforskning. De fokuserte også på polyesterseparasjonsmembranmaterialsystemet og fortsatte å utføre strukturell skapelse og teknologisk innovasjon.
Til slutt designet forskerne en polyesterfilmkompositt omvendt osmosemembran (DHMBA) med sterk vannpermeabilitet, høy motstand mot natriumklorid og bor og fullstendig klorresistens. Sammenlignet med polyamidmembraner, kan den ultraglatte membranoverflaten med lav energi også forhindre begroing og mineralavleiring.
Disse membranene gir en måte å redusere forbehandlingstrinnene ved avsalting av sjøvann ved ytterligere å optimalisere vann-salt-selektiviteten, og utgjør dermed en økende utfordring for polyamidmembraner.
I tillegg følger DHMBA polyester omvendt osmose-membran produksjonsprosessen til eksisterende kommersielle membraner, noe som forbedrer muligheten for storskala produksjon, som er en milepæl i utviklingen av omvendt osmoseindustrien.
Hva er de forbedrede egenskapene til det nye membranmaterialet?
1. Avsaltningsytelse
Forskerne karakteriserte den forberedte DHMBA-membranen og bekreftet at overflaten var defektfri og hadde en tverrbindingstetthet på mer enn 92 %, noe som indikerer dannelsen av en stabil polyesterstruktur.
Skanneelektronmikroskopi og atomkraftmikroskopi-observasjoner viste at membranoverflaten var glatt og mindre ru enn tradisjonelle polyamidmembraner.
Atomprobe og andre teknikker bekreftet ytterligere jevnheten og passende tykkelse på membranen. Sammenlignet med kommersielle membraner på markedet, presterte DHMBA-membranen bedre i avsaltingsytelse, spesielt når det gjelder saltavvisning og vannfluks.
I tillegg presterte den bedre enn dagens teknologier for å fjerne bor, og viste evnen til å opprettholde høye fjerningshastigheter under forskjellige forhold, noe som kan være relatert til dens unike kjemiske og ladningsegenskaper.
2. Membran klor stabilitet
Forskerne testet også klorstabiliteten til DHMBA- og SW30-membraner. I samsvar med tidligere studier ble ytelsen til SW30s polyamidbaserte membraner raskt dårligere når de ble utsatt for aktivt klor under alle pH-forhold, spesielt under sure forhold på grunn av direkte korrosjon av HOCl-arter.
Derimot viste DHMBA-membranen utmerkede antioksidantegenskaper fordi substituentene i spesifikke posisjoner i strukturen forhindret direkte kloreringsreaksjoner.
Spesielt under sure forhold med pH 0 opprettholdt DHMBA-membranen stabil avsaltningsytelse, og DFT-beregninger og XPS-resultater støttet denne konklusjonen, noe som indikerte dens motstand mot aromatiske substitusjonsreaksjoner.
Under nøytrale pH-forhold kan DHMBA-membranen opprettholde stabilitet i tester i opptil 2000 timer, og tåler ekstremt høye konsentrasjoner av fritt kloreksponering selv ved pH-verdier så høye som 9,0, noe som viser sin utmerkede alkaliresistens. .
3. Membran bunnstoff
Forskerne sammenlignet evnen til polyestermembraner og SW30-membraner til å behandle uorganiske (mineralske) og organiske forurensninger.
Ved testing med modellgipsløsninger og simulert sjøvann falt vannfluksen til den polyamidbaserte SW30-membranen raskt, mens ytelsen til polyestermembranen holdt seg stort sett uendret i løpet av 24 timers drift.
Gjennom skanningselektronmikroskopi-observasjon kan det sees at overflaten av DHMBA-membranen forblir nesten i sin opprinnelige tilstand etter sjøvannsavsaltningstesten, mens krystaller eller aggregater dannes på overflaten av SW30-membranen.
Tilsvarende, ved behandling av saltvann som inneholder simulerte organiske forurensninger som natriumalginat og humussyre, viste DHMBA-membranen minimal reduksjon i vannfluks sammenlignet med SW30-membranen. FE-SEM-bilder avslørte mindre akkumulering av begroing på DHMBA-membranoverflaten sammenlignet med den tykke og tette filterkaken dannet på SW30-membranoverflaten.
Disse bunnhindrende og anti-adhesjonsegenskapene til DHMBA-membranen kan tilskrives dens ultraglatte, lavenergi- og lavladede overflateegenskaper.
Under ekte sjøvannstesting og vanlige klorbehandlingsforhold viste DHMBA-membranen utmerket stabilitet, med bare 2 % reduksjon i vannfluks etter 15 dager, noe som fremhever potensialet for bruk i den virkelige verden.