Наскоро китайски и американски изследователи постигнаха важен напредък в изследователската посока за пречистване на вода с мембрана за обратна осмоза. Те са разработили нов мембранен материал - полиестерен мембранен материал (DHMBA), който има широки перспективи за приложение при обезсоляване на морска вода, пречистване на битови отпадъчни води и други области.
Това постижение беше публикувано наскоро в Science. Това постижение беше постигнато съвместно от професор Джан Суан от Университета за наука и технологии в Нанкин, екипа на Хуо Минсин и Уанг Сианзе от Училището по околна среда на Североизточния нормален университет и професор Менахем Елимелех (Университет Йейл), академик на Американската академия по инженерство .
"Полиестерната мембрана" предизвиква "полиамидната мембрана"
Като единствената технология, която може да реализира увеличаването на сладководни ресурси с отворен код от източника, обезсоляването на морската вода е първият избор за решаване на глобалния проблем с недостига на вода и важна част от преформулирането на плана за „сигурност на водата“ на моята страна.
Понастоящем основният търговски тип мембрана за обезсоляване на морска вода е композитен полиамиден филм (TFC-PA), сред който продуктите на DuPont, Hydraulic Energy, Toray и други компании в Съединените щати заемат по-голямата част от световния пазарен дял.
Тънкослойните композитни мембрани за обратна осмоза са златен стандарт за технология за обезсоляване и пречистване на вода в продължение на почти половин век. Полиамидните тънкослойни композитни мембрани за обратна осмоза (TFC-RO) се превърнаха в предпочитана технология за обезсоляване и повторно използване на отпадъчни води поради тяхната отлична ефективност на разделяне.
Тези мембрани се приготвят чрез междинна полимеризация, което води до грапава повърхност, която е податлива на адсорбция на замърсители. Въпреки че окислителите могат да намалят биозамърсяването, полиамидните мембрани лесно се увреждат в присъствието на хлор.
Поради това пречистването на промишлена вода изисква скъпи етапи на предварителна обработка като коагулация, добавяне на агенти против обрастване, дезинфекция и дехлориране за защита на мембраните. Въпреки че наскоро се появиха мембрани, устойчиви на замърсяване и устойчиви на хлор, тяхната ефективност на обезсоляване е по-ниска от тази на полиамидните мембрани.
Специален случай е полиестерен селективен слой, образуван върху PES субстрат, който показва добра устойчивост на хлор и капацитет за обезсоляване, но е податлив на хидролиза над pH 8.0. Разработването на здрави мембрани, които могат да избегнат предварителната обработка, значително ще намали разходите за обезсоляване и въздействието върху околната среда.
За да разреши тези проблеми, изследователският екип на професор Zhang Xuan в NUST започна да излага материални иновации в областта на мембраните за обратна осмоза през 2014 г. и извърши голям брой приложни фундаментални изследвания. Те също така се съсредоточиха върху материалната система от полиестерна разделителна мембрана и продължиха да извършват структурно създаване и технологични иновации.
И накрая, изследователите проектираха полиестерна филмова композитна мембрана за обратна осмоза (DHMBA) със силна водопропускливост, висока устойчивост на натриев хлорид и бор и пълна устойчивост на хлор. В сравнение с полиамидните мембрани, ултра-гладката, нискоенергийна повърхност на мембраната може също да предотврати замърсяване и минерален котлен камък.
Тези мембрани осигуряват начин за значително намаляване на етапите на предварителна обработка на обезсоляването на морската вода чрез допълнително оптимизиране на селективността вода-сол, като по този начин поставят нарастващо предизвикателство пред полиамидните мембрани.
В допълнение, полиестерната мембрана за обратна осмоза DHMBA следва производствения процес на съществуващи търговски мембрани, което подобрява осъществимостта на широкомащабно производство, което е крайъгълен камък в развитието на индустрията за обратна осмоза.
Какви са подобрените свойства на новия мембранен материал?
1. Ефективност на обезсоляване
Изследователите характеризират подготвената DHMBA мембрана и потвърждават, че нейната повърхност е без дефекти и има плътност на омрежване над 92%, което показва образуването на стабилна полиестерна структура.
Наблюденията чрез сканираща електронна микроскопия и атомно-силова микроскопия показват, че повърхността на мембраната е гладка и по-малко грапава от традиционните полиамидни мембрани.
Атомната сонда и други техники допълнително потвърдиха еднородността и подходящата дебелина на мембраната. В сравнение с търговските мембрани на пазара, мембраната DHMBA се представи по-добре при обезсоляване, особено по отношение на отхвърлянето на солта и водния поток.
В допълнение, той се представи по-добре от настоящите технологии при отстраняване на бор, показвайки способността да поддържа високи нива на отстраняване при различни условия, което може да е свързано с неговите уникални химични и зарядни характеристики.
2. Хлорна стабилност на мембраната
Изследователите също така тестваха стабилността на хлор на мембраните DHMBA и SW30. В съответствие с предишни проучвания, ефективността на полиамидните мембрани на SW30 бързо се влошава, когато са изложени на активен хлор при всички условия на рН, особено при киселинни условия поради директната корозия на видовете HOCl.
За разлика от това, мембраната DHMBA показа отлични антиоксидантни свойства, тъй като заместителите на специфични позиции в нейната структура предотвратяват директните реакции на хлориране.
Особено при киселинни условия на pH 0, мембраната DHMBA поддържаше стабилна производителност на обезсоляване, а DFT изчисленията и резултатите от XPS подкрепиха това заключение, което показва нейната устойчивост на реакции на ароматно заместване.
При условия на неутрално pH мембраната DHMBA може да поддържа стабилност при тестове до 2000 часа и може да издържи на експозиция на изключително високи концентрации на свободен хлор дори при стойности на pH до 9,0, демонстрирайки своята отлична алкална устойчивост .
3. Мембрана против обрастване
Изследователите сравняват способността на полиестерните мембрани и мембраните SW30 да третират неорганични (минерални) и органични замърсители.
При тестване с моделни гипсови разтвори и симулирана морска вода, водният поток на полиамидната мембрана SW30 спада бързо, докато производителността на полиестерната мембрана остава основно непроменена по време на 24 часа работа.
Чрез наблюдение със сканираща електронна микроскопия може да се види, че повърхността на мембраната DHMBA остава почти в първоначалното си състояние след теста за обезсоляване на морска вода, докато на повърхността на мембраната SW30 се образуват кристали или агрегати.
По подобен начин, при третиране на саламура, съдържаща симулирани органични замърсители като натриев алгинат и хуминова киселина, мембраната DHMBA показва минимално намаляване на водния поток в сравнение с мембраната SW30. FE-SEM изображения разкриха по-малко натрупване на замърсяване върху повърхността на мембраната DHMBA в сравнение с дебелата и плътна филтърна утайка, образувана върху повърхността на мембраната SW30.
Тези способности против замърсяване и антиадхезия на мембраната DHMBA могат да се отдадат на нейните ултра-гладки, нискоенергийни и нискозарядни повърхностни свойства.
При тестване на реална морска вода и редовни условия на третиране с хлор, мембраната DHMBA показа отлична стабилност, само с 2% намаление на водния поток след 15 дни, което подчертава нейния потенциал за приложения в реалния свят.