Hiljuti on Hiina ja Ameerika teadlased teinud olulisi edusamme pöördosmoosmembraani veepuhastuse uurimissuunas. Nad on välja töötanud uue membraanimaterjali-polüestermembraanimaterjali (DHMBA), millel on laialdased kasutusvõimalused merevee magestamises, olmereovee puhastamises ja muudes valdkondades.
See saavutus avaldati hiljuti ajakirjas Science. Selle saavutuse saavutasid ühiselt professor Zhang Xuan Nanjingi teadus- ja tehnoloogiaülikoolist, Huo Mingxini ja Wang Xianze meeskond Northeast Normal University keskkonnakoolist ning professor Menachem Elimelech (Yale'i ülikool), Ameerika Tehnikaakadeemia akadeemik. .
"Polüestermembraan" seab väljakutse "polüamiidmembraanile"
Ainsa tehnoloogiana, mis suudab realiseerida avatud lähtekoodiga mageveevarude juurdekasvu allikast, on merevee magestamine esimene valik ülemaailmse veepuuduse probleemi lahendamiseks ja oluline osa minu riigi veejulgeoleku plaani ümberkujundamisel.
Praegu on peamine kaubanduslik merevee magestamise membraanitüüp komposiitpolüamiidkile (TFC-PA), mille hulgas on DuPont, Hydraulic Energy, Toray ja teiste Ameerika Ühendriikide ettevõtete tooted valdava enamuse ülemaailmsest turuosast.
Õhukesest kilekomposiit pöördosmoosimembraanid on olnud magestamise ja vee puhastamise kuldstandardtehnoloogia peaaegu pool sajandit. Polüamiid õhukese kilega komposiit pöördosmoosi (TFC-RO) membraanid on tänu nende suurepärasele eraldamise efektiivsusele muutunud magestamise ja reovee korduskasutamise tehnoloogiaks.
Need membraanid valmistatakse pindadevahelise polümerisatsiooni teel, mille tulemuseks on kare pind, mis on vastuvõtlik saasteainete adsorptsioonile. Kuigi oksüdeerijad võivad vähendada biomäärdumist, saavad polüamiidmembraanid kloori juuresolekul kergesti kahjustada.
Seetõttu nõuab tööstuslik veepuhastus kulukaid eeltöötlusetappe, nagu koagulatsioon, saastumisvastaste ainete lisamine, desinfitseerimine ja membraanide kaitsmiseks dekloorimine. Kuigi hiljuti on ilmunud saastumis- ja kloorikindlad membraanid, on nende magestamisomadused halvemad kui polüamiidmembraanidel.
Erijuhtum on PES-i substraadile moodustatud polüestri selektiivne kiht, millel on hea kloorikindlus ja magestamisvõime, kuid mis on vastuvõtlik hüdrolüüsile üle pH 8.0. Tugevate membraanide väljatöötamine, mis võivad vältida eeltöötlust, vähendab oluliselt magestamise kulusid ja keskkonnamõjusid.
Nende probleemide lahendamiseks hakkas professor Zhang Xuani uurimisrühm NUSTis 2014. aastal pöördosmoosmembraanide valdkonnas materjaliinnovatsiooni paika panema ja viis läbi suure hulga rakenduslikke alusuuringuid. Samuti keskendusid nad polüestri eraldusmembraanimaterjalide süsteemile ning jätkasid struktuuriloome ja tehnoloogilise innovatsiooni läbiviimist.
Lõpuks kujundasid teadlased polüesterkile komposiit-pöördosmoosimembraani (DHMBA), millel on tugev vee läbilaskvus, kõrge vastupidavus naatriumkloriidi ja boori suhtes ning täielik kloorikindlus. Võrreldes polüamiidmembraanidega võib ülisile, madala energiatarbega membraanipind vältida ka saastumist ja mineraalset katlakivi.
Need membraanid võimaldavad oluliselt vähendada merevee magestamise eeltöötlusetappe, optimeerides veelgi vee-soola selektiivsust, seades seega polüamiidmembraanidele üha suurema väljakutse.
Lisaks järgib DHMBA polüester pöördosmoosi membraan olemasolevate kaubanduslike membraanide tootmisprotsessi, mis parandab suuremahulise tootmise teostatavust, mis on pöördosmoositööstuse arengu verstapost.
Millised on uue membraanimaterjali täiustatud omadused?
1. Magestamise jõudlus
Teadlased iseloomustasid ettevalmistatud DHMBA membraani ja kinnitasid, et selle pind oli defektideta ja selle ristsidumise tihedus oli üle 92%, mis näitab stabiilse polüesterstruktuuri moodustumist.
Skaneeriva elektronmikroskoopia ja aatomjõumikroskoopia vaatlused näitasid, et membraani pind oli sile ja vähem kare kui traditsioonilised polüamiidmembraanid.
Aatomisond ja muud tehnikad kinnitasid veelgi membraani ühtlust ja sobivat paksust. Võrreldes turul olevate kaubanduslike membraanidega, toimis DHMBA membraan magestamise osas paremini, eriti soola hülgamise ja veevoolu osas.
Lisaks toimis see boori eemaldamisel praegusest tehnoloogiast paremini, näidates võimet säilitada kõrget eemaldamiskiirust erinevates tingimustes, mis võib olla seotud selle ainulaadsete keemiliste ja laenguomadustega.
2. Membraani kloori stabiilsus
Teadlased testisid ka DHMBA ja SW30 membraanide kloori stabiilsust. Kooskõlas varasemate uuringutega halvenes SW30 polüamiidipõhiste membraanide jõudlus kiiresti aktiivse klooriga kokkupuutel kõigis pH tingimustes, eriti happelistes tingimustes HOCl liikide otsese korrosiooni tõttu.
Seevastu DHMBA membraan näitas suurepäraseid antioksüdantseid omadusi, kuna selle struktuuris teatud positsioonides olevad asendajad takistasid otseseid kloorimisreaktsioone.
Eriti happelistes tingimustes pH 0 säilitas DHMBA membraan stabiilse magestamise ning DFT arvutused ja XPS-i tulemused toetasid seda järeldust, mis näitab selle vastupidavust aromaatsete asendusreaktsioonide suhtes.
Neutraalsete pH-tingimuste korral suudab DHMBA membraan säilitada stabiilsuse katsetes kuni 2000 tundi ja talub väga kõrgeid vaba kloori kontsentratsioone isegi pH väärtustel kuni 9,0, mis näitab selle suurepärast leelisekindlust. .
3. Membraani saastumisvastane aine
Uurijad võrdlesid polüestermembraanide ja SW30 membraanide võimet töödelda anorgaanilisi (mineraalseid) ja orgaanilisi saasteaineid.
Kipsi mudellahuste ja simuleeritud mereveega testimisel langes polüamiidil põhineva SW30 membraani veevoog kiiresti, samas kui polüestermembraani jõudlus jäi 24 töötunni jooksul põhimõtteliselt muutumatuks.
Skaneeriva elektronmikroskoopia abil on näha, et DHMBA membraani pind jääb pärast merevee magestamise katset peaaegu algolekusse, samas kui SW30 membraani pinnale moodustuvad kristallid või agregaadid.
Samamoodi näitas DHMBA membraan SW30 membraaniga võrreldes minimaalset veevoo vähenemist simuleeritud orgaanilisi saasteaineid, näiteks naatriumalginaati ja humiinhapet sisaldavate soolvee töötlemisel. FE-SEM kujutised näitasid DHMBA membraani pinnale vähem saastumist, võrreldes SW30 membraani pinnale moodustunud paksu ja tiheda filtrikoogiga.
Need DHMBA membraani saastumis- ja nakkumisvastased omadused võivad olla tingitud selle ülisiledast, madala energiatarbega ja madala laenguga pinna omadustest.
Reaalses merevee testimises ja tavalistes klooritöötlustingimustes näitas DHMBA membraan suurepärast stabiilsust, 15 päeva pärast vähenes veevoog vaid 2%, mis tõstab esile selle potentsiaali reaalsetes rakendustes.