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日本信州大学《Nanoscale》一种优异的反渗透海水淡化膜
北极星水处理网 / 时间:2020-07-30 23:12:28

全国能源信息平台7月30日讯:在过去的30年中,反渗透(RO)膜应用经历了巨大的增长。这是由多种因素共同实现的,这些因素包括全球人口和经济增长,气候变化导致的水资源短缺以及近年来已实施的更加严格的环境法规。目前用于海水淡化的最具成本效益的膜是基于交联芳族聚酰胺(PA)膜。虽然对其表面改性研究得很多,但在大多数商业应用中大部分化学结构仍然保持不变。在过去的十年中,已经用纳米材料对这些膜进行改性研究,例如二氧化硅纳米颗粒,沸石,碳纳米管。纳米复合芳香族PA膜通常需要提高其耐氯性,透水率,和防污性能,尽管这些改进通常需要在脱盐性能上做出权衡。

在最近开发的纳米材料中,纤维素纳米纤维(CNF)由于其优异的特性和环保特性而引起了极大的关注。它们可以纳米级分散在水中,并且是无毒的,具有化学抗性,可生物降解。纳米纤维素可用于增强聚合物,改善其机械性能,特别是在不增加复合材料重量的情况下增加杨氏模量。然而,关于使用交联芳香族PA作为基质结合CNF和纤维素纳米晶体(CNC)的纳米复合膜的报道很少。

近日,日本信州大学Rodolfo Cruz-Silva课题组合成了用结晶纤维素纳米纤维(CNF)增强的芳族聚酰胺(PA)反渗透膜,并研究了其脱盐性能。与普通PA膜的比较表明,由于CNF表面和PA基质之间的吸引力,CNF的添加降低了基质的迁移率,从而导致形成更坚硬的膜。分子动力学模拟表明,CNF-PA具有更高的亲水性,这对于合成的纳米复合膜的高透水性至关重要。CNF-PA反渗透纳米复合膜还显示出增强的防污性能和改善的耐氯性。CNF作为制备纳米复合芳族PA膜的纳米增强材料显示出巨大的潜力,且该膜具有很长的使用寿命!这项研究工作以“Nanocompositedesalination membranes made of aromatic polyae with cellulose nanofibers: synthesis,performance, and water diffusion study”为题发表在国际著名期刊《Nanoscale》上。

图1. 合成膜的形态。(a)AFM,普通PA膜的(b)SEM和(c)TEM断面图。(d)CNF-PA膜的AFM图,(e)SEM和(f)断面TEM图像

图2.(a)干燥的PA样品,(b)干燥的CNF-PA膜,(c)含水的PA和(d)含水的CNF-PA的孔径分析

图3. a)PA结构模型,(b)水密度,(c)水扩散系数,以及(d)芳香族普通聚酰胺(PA)膜的聚合物迁移率图,(e)PA-CNF结构模型,(f)水密度,(g)水扩散系数和(h)聚合物迁移率(仅PA部分)图

图4CNF-PA和PA膜的防污性能研究

图5对于CNF-PA膜和实验室制得的普通PA膜,在20 ppm的连续氯暴露下,水的渗透率(左实线)和脱盐率(右虚线)的变化

综上所述,使用快速氧化的CNF(Tempo-oxidized CNF)来改善芳族PA膜的透水率、防污性和耐氯性,通过将CNF分散在水相中并进行界面合成来进行。CNF-PA膜中CNF的羧酸钠基团的存在改善了水的扩散速率,而CNF的耐氯性有助于改善膜的抗氯化稳定性。表面粗糙度的略微降低和带负电荷的TEMPO-CNF的存在改善了防污性能。以上结果表明,CNF-PA膜是一种很有潜力用于海水反渗透淡化膜的材料。