Viime aikoina kiinalaiset ja amerikkalaiset tutkijat ovat edistyneet merkittävästi käänteisosmoosikalvovedenkäsittelyn tutkimussuunnassa. He ovat kehittäneet uuden kalvomateriaali-polyesterikalvomateriaalin (DHMBA), jolla on laajat sovellusmahdollisuudet meriveden suolanpoistossa, kunnallisten jätevesien puhdistuksessa ja muilla aloilla.
Tämä saavutus julkaistiin hiljattain Science-lehdessä. Tämän saavutuksen täydensivät yhdessä professori Zhang Xuan Nanjingin tiede- ja teknologiayliopistosta, Huo Mingxinin ja Wang Xianzen tiimi Northeast Normal Universityn ympäristökoulusta sekä professori Menachem Elimelech (Yalen yliopisto), American Academy of Engineeringin akateemikko. .
"Polyesterikalvo" haastaa "polyamidikalvon"
Meriveden suolanpoisto on ainoa teknologia, joka pystyy toteuttamaan avoimen lähdekoodin makean veden resurssien lisäyksen lähteestä, ja se on ensimmäinen vaihtoehto maailmanlaajuisen vesipulaongelman ratkaisemiseksi ja tärkeä osa maani "vesiturvallisuussuunnitelman" uudelleenmuotoilua.
Tällä hetkellä valtavirran kaupallinen meriveden suolanpoistokalvotyyppi on komposiittipolyamidikalvo (TFC-PA), jonka joukossa DuPontin, Hydraulic Energyn, Torayn ja muiden yhdysvaltalaisten yritysten tuotteet muodostavat suurimman osan maailmanlaajuisesta markkinaosuudesta.
Ohutkalvokomposiitti käänteisosmoosikalvot ovat olleet suolanpoiston ja vedenpuhdistuksen kultastandarditekniikka lähes puolen vuosisadan ajan. Polyamidi ohutkalvokomposiitti käänteisosmoosikalvoista (TFC-RO) on tullut suosituin tekniikka suolanpoistoon ja jäteveden uudelleenkäyttöön niiden erinomaisen erotustehokkuuden ansiosta.
Nämä kalvot valmistetaan rajapintapolymeroinnilla, mikä johtaa karkeaan pintaan, joka on herkkä kontaminanttien adsorptiolle. Vaikka hapettimet voivat vähentää biologista likaantumista, polyamidikalvot vaurioituvat helposti kloorin läsnä ollessa.
Siksi teollinen vedenkäsittely vaatii kalliita esikäsittelyvaiheita, kuten koagulointia, likaantumisenestoaineiden lisäämistä, desinfiointia ja kloorinpoistoa kalvojen suojaamiseksi. Vaikka likaantumista ja klooria kestäviä kalvoja on äskettäin ilmestynyt, niiden suolanpoistokyky on huonompi kuin polyamidikalvoilla.
Erikoistapaus on PES-substraatille muodostettu polyesteriselektiivinen kerros, jolla on hyvä kloorinkesto ja suolanpoistokyky, mutta joka on herkkä hydrolyysille pH 8:n yläpuolella.0. Kestävien kalvojen kehittäminen, joilla voidaan välttää esikäsittely, vähentää merkittävästi suolanpoistokustannuksia ja ympäristövaikutuksia.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi professori Zhang Xuanin NUST:n tutkimusryhmä aloitti vuonna 2014 materiaaliinnovaatioiden suunnittelun käänteisosmoosikalvojen alalla ja teki suuren määrän soveltavaa perustutkimusta. He keskittyivät myös polyesterierotuskalvomateriaalijärjestelmään ja jatkoivat rakenteellista luomista ja teknologista innovaatiota.
Lopuksi tutkijat suunnittelivat polyesterikalvokomposiitti käänteisosmoosikalvon (DHMBA), jolla on vahva vedenläpäisevyys, korkea natriumkloridin ja boorin vastustuskyky sekä täydellinen kloorinkestävyys. Polyamidikalvoihin verrattuna erittäin sileä, vähän energiaa kuluttava kalvopinta voi myös estää likaantumisen ja mineraalihilseilyn.
Nämä kalvot tarjoavat tavan vähentää huomattavasti meriveden suolanpoiston esikäsittelyvaiheita optimoimalla edelleen vesi-suolaselektiivisyyttä, mikä muodostaa kasvavan haasteen polyamidikalvoille.
Lisäksi DHMBA-polyesterikäänteisosmoosikalvo seuraa olemassa olevien kaupallisten kalvojen tuotantoprosessia, mikä parantaa laajamittaisen tuotannon toteutettavuutta, mikä on virstanpylväs käänteisosmoositeollisuuden kehityksessä.
Mitkä ovat uuden kalvomateriaalin parannetut ominaisuudet?
1. Suolanpoistoteho
Tutkijat karakterisoivat valmistetun DHMBA-kalvon ja vahvistivat, että sen pinta oli virheetön ja sen silloitustiheys oli yli 92 %, mikä osoittaa vakaan polyesterirakenteen muodostumisen.
Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja atomivoimamikroskopialla tehdyt havainnot osoittivat, että kalvon pinta oli sileä ja vähemmän karkea kuin perinteiset polyamidikalvot.
Atomikoetin ja muut tekniikat vahvistivat edelleen kalvon tasaisuuden ja sopivan paksuuden. Verrattuna markkinoilla oleviin kaupallisiin kalvoihin DHMBA-kalvo suoriutui paremmin suolanpoistossa, erityisesti suolan hylkäämisen ja veden virtauksen suhteen.
Lisäksi se suoriutui nykyistä teknologiaa paremmin boorin poistamisessa, mikä osoittaa kykynsä ylläpitää korkeaa poistonopeutta eri olosuhteissa, mikä saattaa liittyä sen ainutlaatuisiin kemiallisiin ja varausominaisuuksiin.
2. Kalvon klooristabiilisuus
Tutkijat testasivat myös DHMBA- ja SW30-kalvojen klooristabiilisuutta. Aiempien tutkimusten mukaisesti SW30:n polyamidipohjaisten kalvojen suorituskyky heikkeni nopeasti, kun ne altistettiin aktiiviselle kloorille kaikissa pH-olosuhteissa, erityisesti happamissa olosuhteissa HOCl-lajien suoran korroosion vuoksi.
Sitä vastoin DHMBA-kalvo osoitti erinomaisia antioksidanttisia ominaisuuksia, koska sen rakenteen tietyissä kohdissa olevat substituentit estivät suoria kloorausreaktioita.
Erityisesti happamissa pH-olosuhteissa 0 DHMBA-kalvo säilytti vakaan suolanpoiston suorituskyvyn, ja DFT-laskelmat ja XPS-tulokset tukivat tätä päätelmää, mikä osoittaa sen vastustuskyvyn aromaattisia substituutioreaktioita vastaan.
Neutraalissa pH-olosuhteissa DHMBA-kalvo voi säilyttää stabiiliuden testeissä jopa 2000 tuntia ja kestää erittäin korkeita pitoisuuksia vapaalle kloorille jopa pH-arvoissa jopa 9,0, mikä osoittaa sen erinomaisen alkalinkestävyyden. .
3. Likaantumisenestokalvo
Tutkijat vertasivat polyesterikalvojen ja SW30-kalvojen kykyä käsitellä epäorgaanisia (mineraalisia) ja orgaanisia epäpuhtauksia.
Mallikipsiliuoksilla ja simuloidulla merivedellä testattaessa polyamidipohjaisen SW30-kalvon vesivirta laski nopeasti, kun taas polyesterikalvon suorituskyky pysyi periaatteessa ennallaan 24 tunnin käytön aikana.
Pyyhkäisyelektronimikroskooppisen havainnoinnin avulla voidaan nähdä, että DHMBA-kalvon pinta pysyy lähes alkuperäisessä tilassaan meriveden suolanpoistokokeen jälkeen, kun taas SW30-kalvon pinnalle muodostuu kiteitä tai aggregaatteja.
Vastaavasti käsiteltäessä suolaliuoksia, jotka sisälsivät simuloituja orgaanisia epäpuhtauksia, kuten natriumalginaattia ja humushappoa, DHMBA-kalvo osoitti minimaalista vesivirtauksen vähenemistä verrattuna SW30-kalvoon. FE-SEM-kuvat paljastivat vähemmän likaantumisen kertymistä DHMBA-kalvon pinnalle verrattuna SW30-kalvon pinnalle muodostuneeseen paksuun ja tiheään suodatinkakkuun.
Nämä DHMBA-kalvon likaantumisenesto- ja adheesionesto-ominaisuudet johtuvat sen erittäin sileistä, vähän energiaa kuluttavista ja vähävaraisista pintaominaisuuksista.
Todellisissa merivesitestauksissa ja säännöllisissä kloorikäsittelyolosuhteissa DHMBA-kalvo osoitti erinomaista stabiilisuutta, ja vesivirta pieneni vain 2 % 15 päivän jälkeen, mikä korostaa sen potentiaalia tosielämän sovelluksiin.