Baru-baru ini, penyelidik China dan Amerika telah membuat kemajuan penting dalam arah penyelidikan rawatan air membran osmosis songsang. Mereka telah membangunkan bahan membran-bahan membran poliester baharu (DHMBA), yang mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam penyahgaraman air laut, penulenan air sisa perbandaran dan bidang lain.
Pencapaian ini baru-baru ini diterbitkan dalam Sains. Pencapaian ini telah disempurnakan bersama oleh Profesor Zhang Xuan dari Universiti Sains dan Teknologi Nanjing, Huo Mingxin dan pasukan Wang Xianze dari Sekolah Alam Sekitar Universiti Normal Timur Laut, dan Profesor Menachem Elimelech (Universiti Yale), ahli akademik Akademi Kejuruteraan Amerika .
"Membran poliester" mencabar "membran poliamida"
Sebagai satu-satunya teknologi yang dapat merealisasikan peningkatan sumber terbuka sumber air tawar daripada sumbernya, penyahgaraman air laut adalah pilihan pertama untuk menyelesaikan masalah kekurangan air global dan bahagian penting dalam membentuk semula rancangan "keselamatan air" negara saya.
Pada masa ini, jenis membran penyahgaraman air laut komersial arus perdana ialah filem poliamida komposit (TFC-PA), antaranya produk DuPont, Tenaga Hidraulik, Toray dan syarikat lain di Amerika Syarikat menduduki sebahagian besar bahagian pasaran global.
Membran osmosis songsang komposit filem nipis telah menjadi teknologi standard emas untuk penyahgaraman dan penulenan air selama hampir setengah abad. Membran osmosis terbalik komposit filem nipis poliamida (TFC-RO) telah menjadi teknologi pilihan untuk penyahgaraman dan penggunaan semula air sisa kerana kecekapan pemisahan yang sangat baik.
Membran ini disediakan melalui pempolimeran antara muka, yang menghasilkan permukaan kasar yang terdedah kepada penjerapan bahan cemar. Walaupun oksidan boleh mengurangkan biofouling, membran poliamida mudah rosak dengan kehadiran klorin.
Oleh itu, rawatan air industri memerlukan langkah prarawatan yang mahal seperti pembekuan, penambahan agen antikotoran, pembasmian kuman, dan penyahklorinan untuk melindungi membran. Walaupun membran tahan busuk dan tahan klorin baru-baru ini muncul, prestasi penyahgaraman mereka adalah lebih rendah daripada membran poliamida.
Kes khas ialah lapisan selektif poliester yang terbentuk pada substrat PES, yang menunjukkan rintangan klorin dan kapasiti penyahgaraman yang baik, tetapi terdedah kepada hidrolisis melebihi pH 8.0. Pembangunan membran keras yang boleh mengelakkan prarawatan akan mengurangkan kos penyahgaraman dan kesan alam sekitar dengan ketara.
Untuk menyelesaikan masalah ini, pasukan penyelidik Profesor Zhang Xuan di NUST mula membentangkan inovasi bahan dalam bidang membran osmosis songsang pada tahun 2014 dan menjalankan sejumlah besar penyelidikan asas gunaan. Mereka juga memberi tumpuan kepada sistem bahan membran pemisahan poliester dan terus menjalankan penciptaan struktur dan inovasi teknologi.
Akhir sekali, para penyelidik mereka bentuk membran osmosis songsang komposit filem poliester (DHMBA) dengan kebolehtelapan air yang kuat, rintangan yang tinggi terhadap natrium klorida dan boron, dan rintangan klorin yang lengkap. Berbanding dengan membran poliamida, permukaan membran ultra licin dan bertenaga rendah juga boleh menghalang kekotoran dan penskalaan mineral.
Membran ini menyediakan cara untuk mengurangkan dengan banyak langkah prarawatan penyahgaraman air laut dengan terus mengoptimumkan selektiviti garam air, sekali gus menimbulkan cabaran yang semakin meningkat kepada membran poliamida.
Di samping itu, membran osmosis songsang poliester DHMBA mengikuti proses pengeluaran membran komersial sedia ada, yang meningkatkan kemungkinan pengeluaran berskala besar, yang merupakan peristiwa penting dalam pembangunan industri osmosis songsang.
Apakah sifat yang dipertingkatkan bagi bahan membran baharu?
1. Prestasi penyahgaraman
Para penyelidik mencirikan membran DHMBA yang disediakan dan mengesahkan bahawa permukaannya bebas kecacatan dan mempunyai ketumpatan silang silang lebih daripada 92%, menunjukkan pembentukan struktur poliester yang stabil.
Pengimbasan mikroskop elektron dan mikroskopi daya atom menunjukkan bahawa permukaan membran adalah licin dan kurang kasar daripada membran poliamida tradisional.
Siasatan atom dan teknik lain mengesahkan lagi keseragaman dan ketebalan membran yang sesuai. Berbanding dengan membran komersial di pasaran, membran DHMBA menunjukkan prestasi yang lebih baik dalam prestasi penyahgaraman, terutamanya dari segi penolakan garam dan fluks air.
Selain itu, ia berprestasi lebih baik daripada teknologi semasa dalam mengeluarkan boron, menunjukkan keupayaan untuk mengekalkan kadar penyingkiran yang tinggi dalam keadaan berbeza, yang mungkin berkaitan dengan ciri kimia dan casnya yang unik.
2. Kestabilan klorin membran
Para penyelidik juga menguji kestabilan klorin membran DHMBA dan SW30. Selaras dengan kajian terdahulu, prestasi membran berasaskan poliamida SW30 dengan cepat merosot apabila terdedah kepada klorin aktif di bawah semua keadaan pH, terutamanya dalam keadaan berasid disebabkan oleh kakisan langsung spesies HOCl.
Sebaliknya, membran DHMBA menunjukkan sifat antioksidan yang sangat baik kerana substituen pada kedudukan tertentu dalam strukturnya menghalang tindak balas pengklorinan langsung.
Terutamanya dalam keadaan berasid pH 0, membran DHMBA mengekalkan prestasi penyahgaraman yang stabil, dan pengiraan DFT dan keputusan XPS menyokong kesimpulan ini, yang menunjukkan ketahanannya terhadap tindak balas penggantian aromatik.
Di bawah keadaan pH neutral, membran DHMBA boleh mengekalkan kestabilan dalam ujian sehingga 2000 jam, dan boleh menahan kepekatan pendedahan klorin bebas yang sangat tinggi walaupun pada nilai pH setinggi 9.0, menunjukkan rintangan alkali yang sangat baik. .
3. Membran anti-kotoran
Para penyelidik membandingkan keupayaan membran poliester dan membran SW30 untuk merawat bahan pencemar bukan organik (mineral) dan organik.
Apabila diuji dengan larutan gipsum model dan air laut simulasi, fluks air membran SW30 berasaskan poliamida menurun dengan cepat, manakala prestasi membran poliester pada asasnya kekal tidak berubah selama 24 jam operasi.
Melalui pemerhatian mikroskop elektron pengimbasan, dapat dilihat bahawa permukaan membran DHMBA kekal hampir dalam keadaan awal selepas ujian penyahgaraman air laut, manakala kristal atau agregat terbentuk pada permukaan membran SW30.
Begitu juga, apabila merawat air garam yang mengandungi bahan cemar organik simulasi seperti natrium alginat dan asid humik, membran DHMBA menunjukkan pengurangan minimum dalam fluks air berbanding dengan membran SW30. Imej FE-SEM menunjukkan kurang pengumpulan fouling pada permukaan membran DHMBA berbanding dengan kek penapis tebal dan padat yang terbentuk pada permukaan membran SW30.
Keupayaan anti-kotoran dan anti-lekatan membran DHMBA ini mungkin dikaitkan dengan sifat permukaannya yang sangat licin, bertenaga rendah dan bercas rendah.
Di bawah ujian air laut sebenar dan keadaan rawatan klorin biasa, membran DHMBA menunjukkan kestabilan yang sangat baik, dengan hanya pengurangan 2% dalam fluks air selepas 15 hari, menonjolkan potensinya untuk aplikasi dunia sebenar.
