Недавно су кинески и амерички истраживачи направили значајан напредак у правцу истраживања третмана воде са мембраном реверзне осмозе. Развили су нови мембрански материјал - полиестерски мембрански материјал (ДХМБА), који има широке изгледе за примену у десалинизацији морске воде, пречишћавању комуналних отпадних вода и другим пољима.
Ово достигнуће је недавно објављено у часопису Сциенце. Ово достигнуће заједнички су завршили професор Зханг Ксуан са Универзитета науке и технологије у Нањингу, тим Хуо Мингкин и Ванг Ксианзеа са Школе за животну средину Нортхеаст Нормал Университи и професор Менацхем Елимелецх (Универзитет Јејл), академик Америчке академије инжењеринга .
"Полиестерска мембрана" изазива "полиамидну мембрану"
Као једина технологија која може остварити повећање слатководних ресурса отвореног извора из извора, десалинација морске воде је први избор за решавање глобалног проблема несташице воде и важан део преобликовања плана „безбедности воде“ моје земље.
Тренутно, главни комерцијални тип мембране за десалинизацију морске воде је композитни полиамидни филм (ТФЦ-ПА), међу којима производи ДуПонт, Хидраулиц Енерги, Тораи и других компанија у Сједињеним Државама заузимају огромну већину глобалног тржишног удела.
Танкослојне композитне мембране за реверзну осмозу биле су златни стандард технологије за десалинизацију и пречишћавање воде скоро пола века. Полиамидне танкослојне композитне мембране за реверзну осмозу (ТФЦ-РО) постале су технологија избора за десалинизацију и поновну употребу отпадних вода због своје одличне ефикасности одвајања.
Ове мембране се припремају интерфацијском полимеризацијом, што резултира храпавом површином која је подложна адсорпцији контаминаната. Иако оксиданти могу смањити биообраштање, полиамидне мембране се лако оштећују у присуству хлора.
Због тога третман индустријске воде захтева скупе кораке претходног третмана као што су коагулација, додавање средстава против обрастања, дезинфекција и дехлорисање да би се заштитиле мембране. Иако су се недавно појавиле мембране отпорне на зарастање и хлор, њихов учинак десалинизације је инфериорнији у односу на полиамидне мембране.
Посебан случај је полиестерски селективни слој формиран на ПЕС подлози, који показује добру отпорност на хлор и капацитет десалинизације, али је подложан хидролизи изнад пХ 8.0. Развој чврстих мембрана које могу да избегну предтретман значајно ће смањити трошкове десалинизације и утицаје на животну средину.
Да би решио ове проблеме, истраживачки тим професора Џанга Сјуана у НУСТ-у је 2014. године почео да поставља материјалне иновације у области мембрана реверзне осмозе и спровео велики број примењених основних истраживања. Такође су се фокусирали на систем материјала од полиестера за раздвајање мембрана и наставили да спроводе структурално стварање и технолошке иновације.
Коначно, истраживачи су дизајнирали композитну мембрану за реверзну осмозу од полиестера (ДХМБА) са јаком водопропусношћу, високом отпорношћу на натријум хлорид и бор и потпуном отпорношћу на хлор. У поређењу са полиамидним мембранама, ултра глатка, нискоенергетска површина мембране такође може спречити зарастање и минерално камење.
Ове мембране обезбеђују начин да се у великој мери смање кораци претходног третмана десалинизације морске воде даљим оптимизовањем селективности воде и соли, што представља све већи изазов за полиамидне мембране.
Поред тога, полиестерска мембрана за реверзну осмозу ДХМБА прати процес производње постојећих комерцијалних мембрана, што побољшава изводљивост производње великих размера, што је прекретница у развоју индустрије реверзне осмозе.
Која су побољшана својства новог мембранског материјала?
1. Перформансе десалинизације
Истраживачи су окарактерисали припремљену ДХМБА мембрану и потврдили да је њена површина без дефеката и да има густину умрежавања већу од 92%, што указује на формирање стабилне полиестерске структуре.
Скенирајућа електронска микроскопија и микроскопија атомске силе показала су да је површина мембране глатка и мање храпава од традиционалних полиамидних мембрана.
Атомска сонда и друге технике додатно су потврдиле униформност и одговарајућу дебљину мембране. У поређењу са комерцијалним мембранама на тржишту, ДХМБА мембрана је имала боље перформансе у десалинизацији, посебно у погледу одбацивања соли и протока воде.
Поред тога, показао је бољи учинак од тренутних технологија у уклањању бора, показујући способност одржавања високих стопа уклањања под различитим условима, што може бити повезано са његовим јединственим хемијским карактеристикама и карактеристикама пуњења.
2. Стабилност мембране хлора
Истраживачи су такође тестирали стабилност хлора ДХМБА и СВ30 мембрана. У складу са претходним студијама, перформансе мембрана на бази полиамида СВ30 брзо су се погоршавале када су биле изложене активном хлору у свим пХ условима, посебно у киселим условима због директне корозије ХОЦл врста.
Насупрот томе, ДХМБА мембрана је показала одлична антиоксидативна својства јер су супституенти на специфичним позицијама у њеној структури спречили директне реакције хлорисања.
Нарочито у киселим условима пХ 0, ДХМБА мембрана је одржавала стабилне перформансе десалинизације, а ДФТ прорачуни и КСПС резултати су подржали овај закључак, указујући на њену отпорност на реакције ароматичне супституције.
Под неутралним пХ условима, ДХМБА мембрана може да одржи стабилност у тестовима до 2000 сати и може да издржи екстремно високе концентрације слободног хлора чак и при пХ вредностима до 9,0, показујући своју одличну алкалну отпорност .
3. Заштита од обраштања мембране
Истраживачи су упоредили способност полиестерских мембрана и СВ30 мембрана да третирају неорганске (минералне) и органске загађиваче.
Када је тестиран са моделним растворима гипса и симулираном морском водом, проток воде мембране СВ30 на бази полиамида је брзо опао, док су перформансе полиестерске мембране остале у основи непромењене током 24 сата рада.
Посматрањем скенирајуће електронске микроскопије може се видети да површина ДХМБА мембране остаје скоро у свом почетном стању након теста десалинизације морске воде, док се кристали или агрегати формирају на површини СВ30 мембране.
Слично, када се третирају слани раствори који садрже симулиране органске загађиваче као што су натријум алгинат и хуминска киселина, ДХМБА мембрана је показала минимално смањење протока воде у поређењу са СВ30 мембраном. ФЕ-СЕМ слике су откриле мање акумулације нечистоћа на површини ДХМБА мембране у поређењу са дебелим и густим филтерским колачем формираним на површини мембране СВ30.
Ове способности ДХМБА мембране против обраштања и адхезије могу се приписати њеним ултра глатким, нискоенергетским својствима површине са ниским пуњењем.
Под правим тестирањем морске воде и редовним условима третмана хлором, ДХМБА мембрана је показала одличну стабилност, са само 2% смањењем протока воде након 15 дана, наглашавајући њен потенцијал за примене у стварном свету.