Čínski a americkí vedci nedávno urobili významný pokrok v smere výskumu úpravy vody pomocou membrány s reverznou osmózou. Vyvinuli nový membránový materiál-polyesterový membránový materiál (DHMBA), ktorý má široké uplatnenie pri odsoľovaní morskej vody, čistení komunálnych odpadových vôd a ďalších oblastiach.
Tento úspech bol nedávno publikovaný v časopise Science. Tento úspech spoločne dokončili profesor Zhang Xuan z Nanjingskej univerzity vedy a techniky, Huo Mingxin a tím Wang Xianze zo School of Environment Northeast Normal University a profesor Menachem Elimelech (Yale University), akademik Americkej akadémie inžinierstva. .
"Polyesterová membrána" spochybňuje "polyamidovú membránu"
Odsoľovanie morskej vody ako jediná technológia, ktorá dokáže realizovať prírastok sladkovodných zdrojov z otvoreného zdroja zo zdroja, je prvou voľbou na vyriešenie globálneho problému nedostatku vody a dôležitou súčasťou prepracovania plánu „bezpečnosti vody“ mojej krajiny.
V súčasnosti je bežným komerčným typom membrány na odsoľovanie morskej vody kompozitný polyamidový film (TFC-PA), medzi ktorými produkty spoločností DuPont, Hydraulic Energy, Toray a ďalších spoločností v Spojených štátoch zaberajú veľkú väčšinu podielu na globálnom trhu.
Tenkovrstvové kompozitné membrány na reverznú osmózu sú technológiou zlatého štandardu na odsoľovanie a čistenie vody už takmer pol storočia. Polyamidové tenkovrstvové kompozitné membrány s reverznou osmózou (TFC-RO) sa stali technológiou voľby na odsoľovanie a opätovné použitie odpadovej vody vďaka ich vynikajúcej účinnosti separácie.
Tieto membrány sa pripravujú medzifázovou polymerizáciou, ktorej výsledkom je drsný povrch, ktorý je náchylný na adsorpciu kontaminantov. Hoci oxidanty môžu znížiť biologické znečistenie, polyamidové membrány sa v prítomnosti chlóru ľahko poškodia.
Preto si priemyselná úprava vody vyžaduje drahé kroky predúpravy, ako je koagulácia, pridávanie činidiel proti znečisteniu, dezinfekcia a dechlorácia na ochranu membrán. Aj keď sa nedávno objavili membrány odolné voči znečisteniu a chlóru, ich účinnosť odsoľovania je horšia ako u polyamidových membrán.
Špeciálnym prípadom je polyesterová selektívna vrstva vytvorená na PES substráte, ktorý vykazuje dobrú odolnosť voči chlóru a schopnosť odsoľovania, ale je náchylný na hydrolýzu nad pH 8.0. Vývoj húževnatých membrán, ktoré sa môžu vyhnúť predúprave, výrazne zníži náklady na odsoľovanie a vplyv na životné prostredie.
Aby sa tieto problémy vyriešili, výskumný tím profesora Zhang Xuana v NUST začal v roku 2014 navrhovať materiálové inovácie v oblasti membrán reverznej osmózy a vykonal veľké množstvo aplikovaného základného výskumu. Zamerali sa aj na materiálový systém polyesterovej separačnej membrány a pokračovali vo vytváraní štruktúr a technologických inováciách.
Nakoniec výskumníci navrhli polyesterovú fóliovú kompozitnú membránu s reverznou osmózou (DHMBA) so silnou priepustnosťou pre vodu, vysokou odolnosťou voči chloridu sodnému a bóru a úplnou odolnosťou voči chlóru. V porovnaní s polyamidovými membránami môže ultra hladký, nízkoenergetický povrch membrány tiež zabrániť znečisteniu a usadzovaniu minerálov.
Tieto membrány poskytujú spôsob, ako výrazne znížiť kroky predúpravy pri odsoľovaní morskej vody ďalšou optimalizáciou selektivity voda-soľ, čím predstavujú rastúci problém pre polyamidové membrány.
Polyesterová membrána na reverznú osmózu DHMBA navyše sleduje výrobný proces existujúcich komerčných membrán, čo zlepšuje uskutočniteľnosť výroby vo veľkom meradle, čo je míľnikom vo vývoji priemyslu reverznej osmózy.
Aké sú vylepšené vlastnosti nového membránového materiálu?
1. Výkon odsoľovania
Výskumníci charakterizovali pripravenú membránu DHMBA a potvrdili, že jej povrch bol bez defektov a mal hustotu sieťovania viac ako 92 %, čo naznačuje vytvorenie stabilnej polyesterovej štruktúry.
Pozorovania pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie a mikroskopie atómovej sily ukázali, že povrch membrány bol hladký a menej drsný ako tradičné polyamidové membrány.
Atómová sonda a ďalšie techniky ďalej potvrdili rovnomernosť a vhodnú hrúbku membrány. V porovnaní s komerčnými membránami na trhu mala membrána DHMBA lepší výkon pri odsoľovaní, najmä pokiaľ ide o odmietnutie soli a prietok vody.
Okrem toho fungoval lepšie ako súčasné technológie pri odstraňovaní bóru, pričom preukázal schopnosť udržiavať vysoké rýchlosti odstraňovania za rôznych podmienok, čo môže súvisieť s jeho jedinečnými chemickými a nábojovými charakteristikami.
2. Stabilita membrány voči chlóru
Výskumníci tiež testovali stabilitu membrán DHMBA a SW30 voči chlóru. V súlade s predchádzajúcimi štúdiami sa výkonnosť membrán na báze polyamidu SW30 rýchlo zhoršila, keď boli vystavené aktívnemu chlóru za všetkých podmienok pH, najmä v kyslých podmienkach v dôsledku priamej korózie druhov HOCl.
Naproti tomu membrána DHMBA vykazovala vynikajúce antioxidačné vlastnosti, pretože substituenty na špecifických pozíciách v jej štruktúre zabránili priamym chloračným reakciám.
Najmä v kyslých podmienkach pH 0 si membrána DHMBA udržala stabilný výkon odsoľovania a výpočty DFT a výsledky XPS podporili tento záver, čo naznačuje jej odolnosť voči aromatickým substitučným reakciám.
V podmienkach neutrálneho pH si membrána DHMBA dokáže udržať stabilitu v testoch až 2000 hodín a vydrží extrémne vysoké koncentrácie voľného chlóru aj pri hodnotách pH až 9,0, čo dokazuje svoju vynikajúcu odolnosť voči zásadám .
3. Membrána proti znečisteniu
Vedci porovnávali schopnosť polyesterových membrán a membrán SW30 ošetriť anorganické (minerálne) a organické znečisťujúce látky.
Pri testovaní s modelovými sadrovými roztokmi a simulovanou morskou vodou prietok vody membrány SW30 na báze polyamidu rýchlo klesol, zatiaľ čo výkon polyesterovej membrány zostal v podstate nezmenený počas 24 hodín prevádzky.
Pozorovaním pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie je možné vidieť, že povrch membrány DHMBA zostáva po teste odsoľovania morskou vodou takmer vo svojom počiatočnom stave, zatiaľ čo na povrchu membrány SW30 sa tvoria kryštály alebo agregáty.
Podobne pri úprave soľanky obsahujúcej simulované organické kontaminanty, ako je alginát sodný a kyselina humínová, membrána DHMBA vykazovala minimálne zníženie toku vody v porovnaní s membránou SW30. Snímky FE-SEM odhalili menej znečistenia na povrchu membrány DHMBA v porovnaní s hrubým a hustým filtračným koláčom vytvoreným na povrchu membrány SW30.
Tieto schopnosti membrány DHMBA proti znečisteniu a priľnavosti možno pripísať jej ultra hladkým povrchovým vlastnostiam s nízkou energiou a nízkym nábojom.
Pri skutočnom testovaní morskej vody a bežných podmienkach úpravy chlórom vykazovala membrána DHMBA vynikajúcu stabilitu s iba 2% znížením prietoku vody po 15 dňoch, čo zvýraznilo jej potenciál pre aplikácie v reálnom svete.