ความก้าวหน้าของวัสดุเมมเบรนใหม่

เมื่อไม่นานมานี้ นักวิจัยชาวจีนและชาวอเมริกันได้ประสบความสำเร็จอย่างสำคัญในการวิจัยเกี่ยวกับการบำบัดน้ำด้วยเมมเบรนแบบออสโมซิสย้อนกลับ พวกเขาได้พัฒนาเมมเบรนชนิดใหม่ซึ่งก็คือเมมเบรนโพลีเอสเตอร์ (DHMBA) ซึ่งมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในการกำจัดเกลือออกจากน้ำทะเล การทำให้น้ำเสียในเขตเทศบาลบริสุทธิ์ และสาขาอื่นๆ

ความสำเร็จนี้เพิ่งได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science ความสำเร็จนี้ได้รับการร่วมกันทำโดยศาสตราจารย์ Zhang Xuan จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหนานจิง ทีมงานของ Huo Mingxin และ Wang Xianze จากคณะสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัย Northeast Normal และศาสตราจารย์ Menachem Elimelech (มหาวิทยาลัยเยล) นักวิชาการจาก American Academy of Engineering

“เมมเบรนโพลีเอสเตอร์” ท้าทาย “เมมเบรนโพลีเอไมด์”

เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีเดียวเท่านั้นที่สามารถสร้างแหล่งน้ำจืดเพิ่มขึ้นจากแหล่งต้นทางแบบโอเพนซอร์สได้ การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลจึงเป็นทางเลือกแรกที่จะแก้ปัญหาการขาดแคลนน้ำทั่วโลก และเป็นส่วนสำคัญในการปรับแผน "ความมั่นคงด้านน้ำ" ของประเทศของฉัน

ในปัจจุบัน ประเภทเมมเบรนการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลเชิงพาณิชย์หลักๆ คือ ฟิล์มโพลีเอไมด์คอมโพสิต (TFC-PA) ซึ่งผลิตภัณฑ์ของบริษัท DuPont, Hydraulic Energy, Toray และบริษัทอื่นๆ ในสหรัฐฯ ครองส่วนแบ่งการตลาดทั่วโลกส่วนใหญ่

เมมเบรนแบบออสโมซิสย้อนกลับแบบฟิล์มบางคอมโพสิตถือเป็นเทคโนโลยีมาตรฐานสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำและการฟอกน้ำมานานเกือบครึ่งศตวรรษ เมมเบรนแบบออสโมซิสย้อนกลับแบบฟิล์มบางคอมโพสิตโพลีเอไมด์ (TFC-RO) ได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่เลือกใช้สำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำและการนำน้ำเสียกลับมาใช้ใหม่เนื่องจากมีประสิทธิภาพการแยกที่ยอดเยี่ยม

เมมเบรนเหล่านี้เตรียมขึ้นโดยการโพลีเมอไรเซชันของส่วนต่อประสาน ซึ่งทำให้พื้นผิวขรุขระและไวต่อการดูดซับสารปนเปื้อน แม้ว่าสารออกซิแดนท์จะช่วยลดการเกิดคราบจุลินทรีย์ได้ แต่เมมเบรนโพลีเอไมด์ก็เสียหายได้ง่ายเมื่อมีคลอรีนอยู่

ดังนั้น การบำบัดน้ำเพื่ออุตสาหกรรมจึงต้องใช้ขั้นตอนการบำบัดเบื้องต้นที่มีราคาแพง เช่น การตกตะกอน การเติมสารป้องกันการเกาะติด การฆ่าเชื้อ และการกำจัดคลอรีนเพื่อปกป้องเมมเบรน แม้ว่าเมมเบรนที่ทนต่อการเกาะติดและทนต่อคลอรีนจะเพิ่งมีขึ้นเมื่อไม่นานนี้ แต่ประสิทธิภาพในการกำจัดเกลือออกจากน้ำของเมมเบรนเหล่านี้ยังด้อยกว่าเมมเบรนโพลีเอไมด์

กรณีพิเศษคือชั้นเลือกโพลีเอสเตอร์ที่สร้างขึ้นบนพื้นผิว PES ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความต้านทานต่อคลอรีนและความสามารถในการแยกเกลือได้ดี แต่ไวต่อการไฮโดรไลซิสที่สูงกว่า pH 80 การพัฒนาเมมเบรนที่ทนทานซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการบำบัดล่วงหน้าจะช่วยลดต้นทุนการแยกเกลือและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างมาก

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ทีมวิจัยของศาสตราจารย์จางซวนที่ NUST เริ่มวางแผนนวัตกรรมวัสดุในสาขาของเมมเบรนออสโมซิสย้อนกลับในปี 2014 และดำเนินการวิจัยพื้นฐานประยุกต์จำนวนมาก พวกเขายังมุ่งเน้นไปที่ระบบวัสดุเมมเบรนแยกโพลีเอสเตอร์และดำเนินการสร้างโครงสร้างและนวัตกรรมทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง

ในที่สุด นักวิจัยได้ออกแบบเมมเบรนแบบออสโมซิสย้อนกลับแบบคอมโพสิตฟิล์มโพลีเอสเตอร์ (DHMBA) ที่มีความสามารถในการซึมผ่านของน้ำได้ดี ทนทานต่อโซเดียมคลอไรด์และโบรอนสูง และทนต่อคลอรีนอย่างสมบูรณ์ เมื่อเปรียบเทียบกับเมมเบรนโพลีเอไมด์ พื้นผิวเมมเบรนที่เรียบเป็นพิเศษและมีพลังงานต่ำยังสามารถป้องกันการเกาะติดและการเกิดตะกรันจากแร่ธาตุได้อีกด้วย

เมมเบรนเหล่านี้ช่วยลดขั้นตอนการบำบัดเบื้องต้นของการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลได้อย่างมากโดยเพิ่มการคัดเลือกเกลือในน้ำให้เหมาะสมที่สุด จึงทำให้เมมเบรนโพลีเอไมด์กลายเป็นความท้าทายที่เพิ่มมากขึ้น

นอกจากนี้ เมมเบรนกรองแบบออสโมซิสย้อนกลับโพลีเอสเตอร์ DHMBA ยังปฏิบัติตามกระบวนการผลิตของเมมเบรนเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ ซึ่งช่วยเพิ่มความเป็นไปได้ในการผลิตขนาดใหญ่ ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมออสโมซิสย้อนกลับ

วัสดุเมมเบรนใหม่มีคุณสมบัติที่ได้รับการปรับปรุงอะไรบ้าง?

1. ประสิทธิภาพการกำจัดเกลือ

นักวิจัยได้ทำการตรวจสอบคุณลักษณะของเมมเบรน DHMBA ที่เตรียมไว้ และยืนยันว่าพื้นผิวไม่มีตำหนิ และมีความหนาแน่นของการเชื่อมโยงมากกว่า 92% ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของโครงสร้างโพลีเอสเตอร์ที่มีเสถียรภาพ

จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวเมมเบรนมีความเรียบและหยาบน้อยกว่าเมมเบรนโพลีเอไมด์แบบดั้งเดิม

การตรวจสอบอะตอมและเทคนิคอื่นๆ ยืนยันความสม่ำเสมอและความหนาที่เหมาะสมของเมมเบรน เมื่อเปรียบเทียบกับเมมเบรนเชิงพาณิชย์ในท้องตลาด เมมเบรน DHMBA มีประสิทธิภาพในการแยกเกลือออกจากน้ำได้ดีกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการปฏิเสธเกลือและการไหลของน้ำ

นอกจากนี้ ยังทำงานได้ดีกว่าเทคโนโลยีปัจจุบันในการกำจัดโบรอน โดยแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการรักษาอัตราการกำจัดที่สูงภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางเคมีและประจุที่มีเอกลักษณ์เฉพาะของมัน

2. ความคงตัวของคลอรีนเมมเบรน

นักวิจัยยังได้ทดสอบเสถียรภาพของคลอรีนของเมมเบรน DHMBA และ SW30 สอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้านี้ ประสิทธิภาพของเมมเบรนที่ใช้โพลีเอไมด์ของ SW30 จะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับคลอรีนที่มีฤทธิ์ภายใต้สภาวะ pH ทั้งหมด โดยเฉพาะภายใต้สภาวะเป็นกรดอันเนื่องมาจากการกัดกร่อนโดยตรงของสายพันธุ์ HOCl

ในทางตรงกันข้าม เมมเบรน DHMBA แสดงคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากสารทดแทนในตำแหน่งเฉพาะในโครงสร้างป้องกันปฏิกิริยาคลอรีนเนชันโดยตรง

โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะเป็นกรดของ pH 0 เมมเบรน DHMBA ยังคงรักษาประสิทธิภาพการแยกเกลือให้มีเสถียรภาพ และการคำนวณ DFT และผลลัพธ์ XPS ก็สนับสนุนข้อสรุปนี้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความต้านทานต่อปฏิกิริยาการแทนที่อะโรมาติก

ภายใต้สภาวะ pH เป็นกลาง เมมเบรน DHMBA สามารถรักษาเสถียรภาพในการทดสอบได้นานถึง 2 ชั่วโมง และสามารถทนต่อการสัมผัสคลอรีนอิสระที่มีความเข้มข้นสูงมากได้แม้ในค่า pH สูงถึง 9.0 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความต้านทานด่างที่ยอดเยี่ยม

3.เมมเบรนป้องกันการเกาะติด

นักวิจัยได้เปรียบเทียบความสามารถของเมมเบรนโพลีเอสเตอร์กับเมมเบรน SW30 ในการบำบัดมลพิษอนินทรีย์ (แร่ธาตุ) และอินทรีย์

เมื่อทำการทดสอบด้วยสารละลายยิปซัมจำลองและน้ำทะเลจำลอง พบว่าการไหลของน้ำของเมมเบรน SW30 ที่ทำจากโพลีเอไมด์ลดลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ประสิทธิภาพของเมมเบรนโพลีเอสเตอร์นั้นแทบจะไม่เปลี่ยนแปลงเลยตลอดระยะเวลาการทำงาน 24 ชั่วโมง

จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน จะเห็นได้ว่าพื้นผิวของเมมเบรน DHMBA ยังคงเกือบจะอยู่ในสถานะเริ่มต้นหลังการทดสอบการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ในขณะที่ผลึกหรือมวลรวมจะก่อตัวบนพื้นผิวของเมมเบรน SW30

ในทำนองเดียวกัน เมื่อทำการบำบัดน้ำเกลือที่มีสารปนเปื้อนอินทรีย์จำลอง เช่น โซเดียมอัลจิเนตและกรดฮิวมิก เมมเบรน DHMBA แสดงให้เห็นการลดลงของอัตราการไหลของน้ำเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับเมมเบรน SW30 ภาพ FE-SEM แสดงให้เห็นว่ามีการสะสมของคราบสกปรกบนพื้นผิวเมมเบรน DHMBA น้อยกว่าเมื่อเทียบกับเค้กกรองที่หนาและหนาแน่นที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวเมมเบรน SW30

ความสามารถป้องกันสิ่งปนเปื้อนและป้องกันการยึดเกาะของเมมเบรน DHMBA นี้อาจมาจากคุณสมบัติพื้นผิวที่เรียบเป็นพิเศษ พลังงานต่ำ และประจุไฟฟ้าต่ำ

ภายใต้การทดสอบน้ำทะเลจริงและสภาวะการบำบัดด้วยคลอรีนทั่วไป เมมเบรน DHMBA แสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่ยอดเยี่ยม โดยอัตราการไหลของน้ำลดลงเพียง 2% หลังจากผ่านไป 15 วัน ซึ่งเน้นย้ำถึงศักยภาพสำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง