В последнее время китайские и американские исследователи добились важного прогресса в направлении исследования очистки воды с помощью мембран обратного осмоса. Они разработали новый мембранный материал - полиэфирный мембранный материал (DHMBA), который имеет широкие перспективы применения в опреснении морской воды, очистке городских сточных вод и других областях.
Это достижение было недавно опубликовано в журнале Science. Это достижение было совместно выполнено профессором Чжан Сюанем из Нанкинского университета науки и технологий, командой Хо Минсиня и Ван Сяньцзе из Школы окружающей среды Северо-Восточного педагогического университета и профессором Менахемом Элимелехом (Йельский университет), академиком Американской инженерной академии.
«Полиэфирная мембрана» бросает вызов «полиамидной мембране»
Опреснение морской воды, как единственная технология, которая может обеспечить прирост ресурсов пресной воды из источника, является первоочередным выбором для решения глобальной проблемы нехватки воды и важной частью перестройки плана «водной безопасности» моей страны.
В настоящее время основным типом коммерческих мембран для опреснения морской воды является композитная полиамидная пленка (TFC-PA), среди которой подавляющую долю мирового рынка занимает продукция компаний DuPont, Hydraulic Energy, Toray и других в США.
Тонкопленочные композитные мембраны обратного осмоса являются золотым стандартом технологии опреснения и очистки воды на протяжении почти полувека. Полиамидные тонкопленочные композитные мембраны обратного осмоса (TFC-RO) стали технологией выбора для опреснения и повторного использования сточных вод благодаря их превосходной эффективности разделения.
Эти мембраны изготавливаются методом межфазной полимеризации, что приводит к образованию шероховатой поверхности, восприимчивой к адсорбции загрязняющих веществ. Хотя окислители могут уменьшить биообрастание, полиамидные мембраны легко повреждаются в присутствии хлора.
Поэтому очистка промышленной воды требует дорогостоящих этапов предварительной обработки, таких как коагуляция, добавление противообрастающих агентов, дезинфекция и дехлорирование для защиты мембран. Хотя недавно появились мембраны, устойчивые к загрязнению и хлору, их опресняющие свойства уступают полиамидным мембранам.
Особым случаем является полиэфирный селективный слой, сформированный на подложке из ПЭС, который демонстрирует хорошую устойчивость к хлору и способность к опреснению, но подвержен гидролизу при pH выше 8.0. Разработка прочных мембран, которые могут избежать предварительной обработки, значительно снизит затраты на опреснение и воздействие на окружающую среду.
Для решения этих проблем исследовательская группа профессора Чжан Сюаня в NUST начала разрабатывать инновации в области мембран обратного осмоса в 2014 году и провела большое количество прикладных фундаментальных исследований. Они также сосредоточились на системе материалов мембраны разделения полиэстера и продолжили заниматься структурным созданием и технологическими инновациями.
Наконец, исследователи разработали композитную обратноосмотическую мембрану из полиэфирной пленки (DHMBA) с высокой водопроницаемостью, высокой устойчивостью к хлориду натрия и бору и полной устойчивостью к хлору. По сравнению с полиамидными мембранами, сверхгладкая, низкоэнергетическая поверхность мембраны также может предотвращать загрязнение и образование минеральных отложений.
Эти мембраны позволяют значительно сократить этапы предварительной обработки при опреснении морской воды за счет дальнейшей оптимизации селективности вода-соль, что представляет собой все большую проблему для полиамидных мембран.
Кроме того, полиэфирная мембрана обратного осмоса DHMBA соответствует процессу производства существующих коммерческих мембран, что повышает осуществимость крупномасштабного производства, что является важной вехой в развитии отрасли обратного осмоса.
Каковы улучшенные свойства нового мембранного материала?
1. Эффективность опреснения
Исследователи охарактеризовали подготовленную мембрану DHMBA и подтвердили, что ее поверхность не имеет дефектов и имеет плотность сшивки более 92%, что свидетельствует об образовании стабильной полиэфирной структуры.
Наблюдения с помощью сканирующей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии показали, что поверхность мембраны гладкая и менее шероховатая, чем у традиционных полиамидных мембран.
Атомный зонд и другие методы дополнительно подтвердили однородность и соответствующую толщину мембраны. По сравнению с коммерческими мембранами на рынке, мембрана DHMBA показала лучшие результаты в опреснении, особенно с точки зрения отторжения соли и потока воды.
Кроме того, он продемонстрировал лучшие результаты по сравнению с существующими технологиями в удалении бора, показав способность поддерживать высокие показатели удаления в различных условиях, что может быть связано с его уникальными химическими и зарядовыми характеристиками.
2. Устойчивость мембраны к хлору
Исследователи также проверили устойчивость мембран DHMBA и SW30 к хлору. В соответствии с предыдущими исследованиями, производительность мембран SW30 на основе полиамида быстро ухудшалась при воздействии активного хлора при любых значениях pH, особенно в кислых условиях из-за прямой коррозии видов HOCl.
Напротив, мембрана DHMBA продемонстрировала превосходные антиоксидантные свойства, поскольку заместители в определенных положениях ее структуры предотвращали прямые реакции хлорирования.
Особенно в кислых условиях pH 0 мембрана DHMBA поддерживала стабильные характеристики опреснения, а расчеты DFT и результаты XPS подтверждают этот вывод, указывая на ее устойчивость к реакциям ароматического замещения.
В условиях нейтрального pH мембрана DHMBA может сохранять стабильность в испытаниях до 2000 часов и выдерживать воздействие чрезвычайно высоких концентраций свободного хлора даже при значениях pH до 9,0, демонстрируя свою превосходную устойчивость к щелочам.
3. Мембранная защита от обрастания
Исследователи сравнили способность полиэфирных мембран и мембран SW30 очищать неорганические (минеральные) и органические загрязнители.
При испытаниях с модельными гипсовыми растворами и имитированной морской водой поток воды через мембрану SW30 на основе полиамида быстро падал, в то время как эксплуатационные характеристики полиэфирной мембраны оставались практически неизменными в течение 24 часов эксплуатации.
С помощью сканирующей электронной микроскопии можно увидеть, что поверхность мембраны DHMBA остается практически в исходном состоянии после испытания на опреснение морской воды, в то время как на поверхности мембраны SW30 образуются кристаллы или агрегаты.
Аналогично, при обработке рассолов, содержащих искусственные органические загрязнители, такие как альгинат натрия и гуминовая кислота, мембрана DHMBA показала минимальное снижение потока воды по сравнению с мембраной SW30. Изображения FE-SEM показали меньшее накопление загрязнений на поверхности мембраны DHMBA по сравнению с толстым и плотным фильтрационным осадком, образованным на поверхности мембраны SW30.
Эти противообрастающие и противоадгезионные свойства мембраны DHMBA могут быть обусловлены ее сверхгладкими, низкоэнергетическими и низкозарядными поверхностными свойствами.
В ходе испытаний в условиях реальной морской воды и обычной обработки хлором мембрана DHMBA продемонстрировала превосходную стабильность, сократив поток воды всего на 2% за 15 дней, что подчеркивает ее потенциал для реального применения.