Ostatnio chińscy i amerykańscy naukowcy poczynili istotne postępy w kierunku badań nad uzdatnianiem wody za pomocą membrany odwróconej osmozy. Opracowali nowy materiał membranowy – materiał membrany poliestrowej (DHMBA), który ma szerokie perspektywy zastosowania w odsalaniu wody morskiej, oczyszczaniu ścieków komunalnych i innych dziedzinach.
To osiągnięcie zostało niedawno opublikowane w Science. To osiągnięcie zostało wspólnie ukończone przez profesora Zhang Xuana z Nankińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii, Huo Mingxina i zespół Wang Xianze ze School of Environment of Northeast Normal University oraz profesora Menachema Elimelecha (Yale University), członka American Academy of Engineering.
„Membrana poliestrowa” rzuca wyzwanie „membranie poliamidowemu”
Jako jedyna technologia umożliwiająca zwiększenie zasobów słodkiej wody w sposób otwarty, odsalanie wody morskiej jest pierwszym wyborem w rozwiązaniu globalnego problemu niedoboru wody i ważnym elementem przekształcenia planu „bezpieczeństwa wodnego” mojego kraju.
Obecnie najpopularniejszym komercyjnym typem membran do odsalania wody morskiej jest kompozytowa folia poliamidowa (TFC-PA), a produkty firm DuPont, Hydraulic Energy, Toray i innych przedsiębiorstw ze Stanów Zjednoczonych zajmują zdecydowaną większość udziałów w rynku światowym.
Cienkowarstwowe kompozytowe membrany odwróconej osmozy są złotym standardem technologii odsalania i oczyszczania wody od prawie pół wieku. Cienkowarstwowe kompozytowe membrany odwróconej osmozy (TFC-RO) z poliamidu stały się technologią pierwszego wyboru do odsalania i ponownego wykorzystania ścieków ze względu na ich doskonałą wydajność separacji.
Te membrany są przygotowywane przez polimeryzację międzyfazową, która skutkuje szorstką powierzchnią podatną na adsorpcję zanieczyszczeń. Chociaż utleniacze mogą zmniejszyć biofouling, membrany poliamidowe łatwo ulegają uszkodzeniu w obecności chloru.
Dlatego przemysłowe uzdatnianie wody wymaga kosztownych etapów wstępnego oczyszczania, takich jak koagulacja, dodawanie środków przeciwporostowych, dezynfekcja i dechlorowanie w celu ochrony membran. Chociaż ostatnio pojawiły się membrany odporne na zanieczyszczenia i chlor, ich wydajność odsalania jest gorsza od membran poliamidowych.
Szczególnym przypadkiem jest selektywna warstwa poliestrowa utworzona na podłożu PES, która wykazuje dobrą odporność na chlor i zdolność odsalania, ale jest podatna na hydrolizę powyżej pH 8.0. Opracowanie wytrzymałych membran, które mogą uniknąć wstępnego przetwarzania, znacznie obniży koszty odsalania i wpływ na środowisko.
Aby rozwiązać te problemy, zespół badawczy profesora Zhang Xuana w NUST rozpoczął w 2014 r. prace nad innowacją materiałową w dziedzinie membran odwróconej osmozy i przeprowadził wiele badań podstawowych. Skupili się również na systemie materiałów membran separacyjnych z poliestru i kontynuowali tworzenie struktur i innowacje technologiczne.
Na koniec naukowcy zaprojektowali kompozytową membranę odwróconej osmozy z folii poliestrowej (DHMBA) o dużej przepuszczalności wody, wysokiej odporności na chlorek sodu i bor oraz całkowitej odporności na chlor. W porównaniu z membranami poliamidowymi, ultragładka, niskoenergetyczna powierzchnia membrany może również zapobiegać zanieczyszczeniom i osadzaniu się minerałów.
Membrany te umożliwiają znaczne skrócenie etapów wstępnego oczyszczania wody morskiej poprzez dalszą optymalizację selektywności wody i soli, co stanowi coraz większe wyzwanie dla membran poliamidowych.
Ponadto poliestrowa membrana odwróconej osmozy DHMBA powstaje w oparciu o proces produkcyjny istniejących membran komercyjnych, co zwiększa wykonalność produkcji na dużą skalę, co stanowi kamień milowy w rozwoju branży odwróconej osmozy.
Jakie ulepszone właściwości ma nowy materiał membranowy?
1. Wydajność odsalania
Naukowcy scharakteryzowali przygotowaną membranę DHMBA i potwierdzili, że jej powierzchnia jest wolna od defektów i ma gęstość usieciowania przekraczającą 92%, co wskazuje na powstanie stabilnej struktury poliestrowej.
Obserwacje za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej i mikroskopii sił atomowych wykazały, że powierzchnia membrany jest gładka i mniej szorstka niż w przypadku tradycyjnych membran poliamidowych.
Sonda atomowa i inne techniki dodatkowo potwierdziły jednorodność i odpowiednią grubość membrany. W porównaniu z komercyjnymi membranami dostępnymi na rynku, membrana DHMBA lepiej sprawdziła się w odsalaniu, szczególnie pod względem odrzucania soli i przepływu wody.
Ponadto, materiał ten uzyskał lepsze wyniki w usuwaniu boru niż obecnie stosowane technologie, wykazując zdolność do utrzymywania wysokiej szybkości usuwania w różnych warunkach, co może być związane z jego wyjątkowymi właściwościami chemicznymi i ładunkowymi.
2. Stabilność chloru w membranie
Naukowcy przetestowali również stabilność chloru membran DHMBA i SW30. Zgodnie z poprzednimi badaniami, wydajność membran SW30 na bazie poliamidu gwałtownie się pogorszyła po wystawieniu na działanie aktywnego chloru w każdych warunkach pH, szczególnie w warunkach kwaśnych z powodu bezpośredniej korozji gatunków HOCl.
Membrana DHMBA wykazała natomiast doskonałe właściwości antyoksydacyjne, ponieważ podstawniki w określonych miejscach jej struktury zapobiegały bezpośrednim reakcjom chlorowania.
Membrana DHMBA utrzymywała stabilną wydajność odsalania, zwłaszcza w kwaśnych warunkach pH 0, a obliczenia DFT i wyniki XPS potwierdziły ten wniosek, wskazując na jej odporność na reakcje substytucji aromatycznej.
W warunkach neutralnego pH membrana DHMBA może zachować stabilność w testach do 2000 godzin i wytrzymuje ekstremalnie wysokie stężenia wolnego chloru nawet przy wartościach pH wynoszących 9,0, co dowodzi jej doskonałej odporności na działanie zasad.
3. Membrana przeciwporostowa
Naukowcy porównali zdolność membran poliestrowych i membran SW30 do usuwania zanieczyszczeń nieorganicznych (mineralnych) i organicznych.
Podczas testów z zastosowaniem modelowych roztworów gipsowych i symulowanej wody morskiej, przepływ wody przez membranę SW30 na bazie poliamidu gwałtownie spadł, podczas gdy wydajność membrany poliestrowej pozostała zasadniczo niezmieniona w ciągu 24 godzin pracy.
Obserwacje za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego pokazują, że powierzchnia membrany DHMBA pozostaje niemal w stanie początkowym po teście odsalania wody morskiej, natomiast na powierzchni membrany SW30 tworzą się kryształy lub agregaty.
Podobnie, podczas oczyszczania solanek zawierających symulowane zanieczyszczenia organiczne, takie jak alginian sodu i kwas huminowy, membrana DHMBA wykazała minimalną redukcję przepływu wody w porównaniu z membraną SW30. Obrazy FE-SEM ujawniły mniejsze gromadzenie się zanieczyszczeń na powierzchni membrany DHMBA w porównaniu z grubym i gęstym ciastem filtracyjnym utworzonym na powierzchni membrany SW30.
Właściwości przeciwporostowe i przeciwadhezyjne membrany DHMBA można przypisać jej niezwykle gładkiej, niskoenergetycznej i niskonaładowanej powierzchni.
W testach w rzeczywistej wodzie morskiej i w warunkach zwykłego chlorowania membrana DHMBA wykazała doskonałą stabilność, zmniejszając przepływ wody jedynie o 2% po 15 dniach, co podkreśla jej potencjał do zastosowań w rzeczywistych warunkach.
