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突破！新型聚酯膜挑戰(zhàn)聚酰胺膜，海水淡化迎來新希望

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-07-01 14:01:49

近日，中美科研人員在反滲透膜水處理研究方向取得重要進展，他們研發(fā)出一種新膜材料——聚酯膜材料（DHMBA），其在海水淡化、市政廢水凈化等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。該成果近期發(fā)布在《科學》上。該成果由南京理工大學張軒教授、東北師范大學環(huán)境學院霍明昕、王憲澤團隊、美國工程院院士Menachem Elimelech教授(耶魯大學)共同完成。

“聚酯膜”挑戰(zhàn)“聚酰胺膜”

反滲透膜的基本原理是利用高壓將水分子強制透過半透膜，將水中的離子、顆粒和有機物質(zhì)等雜質(zhì)留在膜的一側(cè)，達到凈化水的目的。反滲透膜是一種高效的水處理技術(shù)，可用于海水淡化、廢水處理、飲用水凈化等領(lǐng)域。

海水淡化作為唯一能從源頭上實現(xiàn)淡水資源開源性增量的技術(shù)，是解決全球水資源短缺問題的首要選擇，也是重塑我國“水安全”規(guī)劃的重要組成部分。目前，主流商業(yè)海水淡化膜的類型是復合聚酰胺薄膜（TFC-PA），其中美國杜邦公司、海德能公司、日本東麗等公司的產(chǎn)品占據(jù)全球市場絕大多數(shù)份額。

近半個世紀以來，薄膜復合反滲透膜一直是海水淡化和水凈化的黃金標準技術(shù)。聚酰胺薄膜復合逆滲透（TFC-RO）膜因其優(yōu)異的分離效率已成為海水淡化和廢水回用的首選技術(shù)。這些膜通過界面聚合法制備，但此法會造成膜表面粗糙，易吸附污染物。盡管氧化劑可減少生物污染，但聚酰胺膜在氯存在下易受損。因此，工業(yè)水處理需通過昂貴的預處理步驟（如混凝、添加防結(jié)垢劑、消毒和除氯）來保護膜。近期盡管出現(xiàn)了耐污染和耐氯膜，但其淡化性能不如聚酰胺膜。一種特例是在PES基材上形成的聚酯選擇性層，顯示出良好的耐氯性和淡化能力，但在pH 8.0以上易水解。開發(fā)能避免預處理的堅韌膜將顯著降低淡化成本和環(huán)境影響。

為了解決這些問題，南理工張軒教授研究團隊于2014年開始布局反滲透膜領(lǐng)域的材料革新并開展了大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究，并將目光鎖定于聚酯分離膜材料體系，持續(xù)開展了結(jié)構(gòu)創(chuàng)制與技術(shù)革新。最終

研究人員們設(shè)計出了這樣一種聚酯薄膜復合反滲透膜（DHMBA），具有很強的透水性，對氯化鈉和硼有很高的抵制作用，并且完全耐氯。與聚酰胺膜相比，超光滑、低能耗的膜表面還能防止污垢和礦物結(jié)垢。這些膜通過進一步優(yōu)化水-鹽選擇性，為大大減少海水淡化的預處理步驟提供了一條途徑，從而對聚酰胺膜構(gòu)成越來越大的挑戰(zhàn)。此外，DHMBA型聚酯反滲透膜沿用了現(xiàn)有商用膜的生產(chǎn)工藝，提升了規(guī)模化生產(chǎn)的可行性，這對反滲透行業(yè)的發(fā)展具有里程碑意義。

新膜材料有哪些強化性能？

海水淡化性能

研究人員對制備的DHMBA膜進行了表征，確認了其表面無缺陷且具有超過92%的交聯(lián)密度，表明形成了穩(wěn)定的聚酯結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)膜表面平滑，粗糙度低于傳統(tǒng)聚酰胺膜。原子探針和其他技術(shù)進一步證實了膜的均勻性和適宜的厚度。與市面上的商業(yè)膜相比，DHMBA膜在淡化性能上表現(xiàn)更優(yōu)，尤其是在鹽排斥率和水通量方面。此外，它在去除硼方面的表現(xiàn)優(yōu)于當前技術(shù)，顯示出在不同條件下保持高去除率的能力，這可能與其特有的化學和電荷特性有關(guān)。

膜氯穩(wěn)定性

研究人員還對DHMBA和SW30膜進行了氯穩(wěn)定性測試。與以往研究相符，SW30的聚酰胺基膜在所有pH條件下暴露于活性氯時性能迅速下降，尤其是在酸性條件下由于HOCl物種的直接侵蝕作用。相反，DHMBA膜顯示出卓越的抗氧化性，原因是其結(jié)構(gòu)上特定位置的取代基阻止了直接的氯化反應(yīng)。尤其是在pH為0的酸性條件下，DHMBA膜保持了穩(wěn)定的脫鹽性能，DFT計算和XPS結(jié)果支持這一結(jié)論，表明其對芳香族取代反應(yīng)的抵抗力。在中性pH條件下，DHMBA膜能在長達2000小時的測試中保持穩(wěn)定性，即使在高達9.0的pH值下也能承受極高濃度的游離氯暴露，展現(xiàn)了其出色的耐堿性。

膜抗污染性

研究人員對聚酯膜和SW30膜處理無機（礦物）和有機污染物的能力進行了比較。在使用模型石膏溶液和模擬海水測試時，聚酰胺基SW30膜的水通量迅速下降，而聚酯膜在24小時的操作中性能基本不變。通過掃描電子顯微鏡觀察，可以看到DHMBA膜在海水淡化測試后表面保持近乎初始狀態(tài)，而SW30膜表面則形成了晶體或聚集體。同樣，在處理含有模擬有機污染物（如海藻酸鈉和腐植酸）的鹽水時，DHMBA膜相比于SW30膜，其水通量降低程度微乎其微。FE-SEM圖像揭示，與SW30膜表面形成的厚密濾餅相比，DHMBA膜表面的污染累積較輕。

DHMBA膜的這些抗污染和抗粘連能力可能歸因于其超光滑、低能量和低電荷的表面特性。實際海水測試和定期氯處理的條件下，DHMBA膜展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，15天后水通量僅降低2%，強調(diào)了其在現(xiàn)實應(yīng)用中的潛力。

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來源：賢集網(wǎng)
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