stringtranslate.com

Тонкопленочная композитная мембрана

Тонкопленочные композитные мембраны ( TFC или TFM ) представляют собой полупроницаемые мембраны, изготовленные для обеспечения селективности с высокой проницаемостью. Большинство TFC используются в системах очистки или опреснения воды . Они также используются в химических приложениях, таких как разделение газов , осушение , батареи и топливные элементы . Мембрану TFC можно считать молекулярным ситом , сконструированным в виде пленки из двух или более слоистых материалов. Дополнительные слои обеспечивают структурную прочность и поверхность с низким содержанием дефектов для поддержки селективного слоя, который достаточно тонок, чтобы быть селективным, но не настолько толст, чтобы вызывать низкую проницаемость.

Мембраны TFC для очистки воды обычно классифицируются как мембраны нанофильтрации (NF) и обратного осмоса (RO). Оба типа обычно изготавливаются из тонкого слоя полиамида (<200 нм), нанесенного поверх пористого слоя полиэфирсульфона или полисульфона (около 50 микрон) поверх нетканого полотна подложки. Трехслойная конфигурация обеспечивает желаемые свойства высокой отбраковки нежелательных материалов (например, солей), высокой скорости фильтрации и хорошей механической прочности. Верхний слой полиамида отвечает за высокую отбраковку и выбирается в первую очередь из-за его проницаемости для воды и относительной непроницаемости для различных растворенных примесей, включая ионы солей и другие небольшие нефильтруемые молекулы . [1] Хотя TFC еще не полностью коммерциализированы, они также используются в других технологиях очистки воды, включая прямой осмос , [2] мембранную дистилляцию , [3] и электродиализ . [4] [5]

История

Первая жизнеспособная мембрана обратного осмоса была изготовлена ​​из ацетата целлюлозы в качестве интегрально покрытой асимметричной полупроницаемой мембраны. Эта мембрана была изготовлена ​​Лёбом и Сурираджаном в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1959 году и запатентована в 1960 году. В 1972 году Джон Кадотт из North Star Technologies (позже FilmTec Corporation ) разработал первую тонкопленочную композитную (TFC) мембрану на основе полиамида (IP). [6] Современное поколение материалов для мембран обратного осмоса (RO) основано на композитном материале, запатентованном FilmTec Corporation в 1970 году (теперь часть DuPont ). Сегодня большинство таких мембран для обратного осмоса и нанофильтрации используют активный слой из полиамида.

Структура и материалы

Как следует из названия, мембраны TFC состоят из нескольких слоев. Мембраны, предназначенные для опреснения, используют активный тонкопленочный слой полиамида, покрытый полисульфоном в качестве пористого опорного слоя. Активные слои, как правило, чрезвычайно тонкие и относительно непористые. Химия этих слоев часто придает селективность. Между тем опорные слои, как правило, должны быть как чрезвычайно пористыми, так и прочными к более высоким давлениям. [7]

При изготовлении мембран TFC используются и другие материалы, обычно цеолиты .

Приложения

Тонкопленочные композитные мембраны используются в

Ограничения

Тонкопленочные композитные мембраны обычно страдают от эффектов уплотнения под давлением. По мере увеличения давления воды полимеры слегка реорганизуются в более плотную структуру, что приводит к снижению пористости, в конечном итоге ограничивая эффективность системы, предназначенной для их использования. В общем, чем выше давление, тем больше уплотнение.

Поверхностное загрязнение: коллоидные частицы, заражение бактериями ( биологическое загрязнение ). [8]

Химическое разложение и окисление.

Производительность

Эффективность фильтрационной мембраны оценивается по селективности, химической стойкости, перепаду рабочего давления и расходу чистой воды на единицу площади.

Из-за важности пропускной способности мембрана изготавливается как можно тоньше. Эти тонкие слои вносят дефекты, которые могут повлиять на селективность, поэтому конструкция системы обычно выбирает компромисс между желаемой пропускной способностью и селективностью, и рабочим давлением.

В других областях применения, помимо фильтрации, могут доминировать такие параметры, как механическая прочность, температурная стабильность и электропроводность.

Активные области исследований

Нанокомпозитные мембраны (TFN). Ключевые моменты: несколько слоев, несколько материалов. [9]

Уменьшение загрязнения мембран [10]

Новые материалы, синтетические цеолиты и т. д. [11] для получения более высоких характеристик.

Компания NanoH2O Inc. выпустила на рынок мембрану, в которой наночастицы цеолита были синтезированы и внедрены в мембрану обратного осмоса для формирования тонкопленочного нанокомпозита, или TFN, который оказался более чем на 50–100 % более проницаемым по сравнению с обычными мембранами обратного осмоса, сохраняя при этом тот же уровень отталкивания солей. [12]

Топливные элементы.

Аккумуляторы.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Lau, WJ; Ismail, AF; Misdan, N.; Kassim, MA (2012). «Недавний прогресс в области тонкопленочных композитных мембран: обзор». Опреснение . 287. Elsevier BV: 190–199. Bibcode : 2012Desal.287..190L. doi : 10.1016/j.desal.2011.04.004. ISSN  0011-9164.
  2. ^ Yip, Ngai Yin; Tiraferri, Alberto; Phillip, William A.; Schiffman, Jessica D.; Elimelech, Menachem (2010-05-15). "Высокопроизводительная тонкопленочная композитная мембрана прямого осмоса". Environmental Science & Technology . 44 (10). Американское химическое общество (ACS): 3812–3818. Bibcode : 2010EnST...44.3812Y. doi : 10.1021/es1002555. ISSN  0013-936X. PMID  20408540.
  3. ^ Juybari, Hamid Fattahi; Karimi, Mohammad; Srivastava, Rishabh; Swaminathan, Jaichander; Warsinger, David M. (2023). "Супергидрофобная композитная асимметричная электропряденая мембрана для устойчивой вакуумной мембранной дистилляции с воздушным зазором". Опреснение . 553. Elsevier BV: 116411. Bibcode : 2023Desal.55316411J. doi : 10.1016/j.desal.2023.116411 . ISSN  0011-9164.
  4. ^ Чой, Джуён; Ким, Хансу; Чон, Сонгвон; Шин, Мин Гю; Со, Джин Ён; Пак, Ю-Ин; Пак, Хосик; Ли, Альберт С.; Ли, Чансу; Ким, МинДжунг; Чо, Хён-Сок; Ли, Чон-Хён (2023-05-25). «Тонкопленочные композитные мембраны как новая категория мембран для электролиза щелочной воды». Small . 19 (37). Wiley. doi :10.1002/smll.202300825. ISSN  1613-6810.
  5. ^ Тейлор, Рэйчел; Ши, Ле; Чжоу, Сюэчен; Росси, Руджеро; Пичореану, Кристиан; Логан, Брюс Э. (2023). «Электрохимический и гидравлический анализ тонкопленочных композитных и триацетатных мембран целлюлозы для электролиза морской воды». Журнал мембранной науки . 679. Elsevier BV: 121692. doi : 10.1016/j.memsci.2023.121692. hdl : 10754/690156 . ISSN  0376-7388.
  6. ^ Лу, Синлин и Менахем Элимелех. «Изготовление опреснительных мембран методом межфазной полимеризации: история, текущие усилия и будущие направления». Королевское химическое общество, 2021. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d0cs00502a.
  7. ^ Пэн, Лу Эльфа; Ян, Чжэ; Лонг, Ли; Чжоу, Шэнхуа; Го, Хао; Тан, Чуян И. (2022). «Критический обзор пористых субстратов полиамидных мембран TFC: механизмы, характеристики мембран и перспективы на будущее». Журнал мембранной науки . 641. Elsevier BV: 119871. doi :10.1016/j.memsci.2021.119871. ISSN  0376-7388.
  8. ^ Tow, Emily W.; Lienhard V, John H. (2017). «Распаковка уплотнения: влияние гидравлического давления на загрязнение альгинатом». Journal of Membrane Science . 544. Elsevier BV: 221–233. doi : 10.1016/j.memsci.2017.09.010. hdl : 1721.1/111677 . ISSN  0376-7388. S2CID  41638480.
  9. ^ Урпер-Байрам, Гульсум Мелике; Босса, Натан; Варсингер, Дэвид М.; Коюнчу, Исмаил; Визнер, Марк (2020-05-13). «Сравнительное влияние нанонаполнителей SiO 2 и TiO 2 на производительность тонкопленочных нанокомпозитных мембран». Журнал прикладной полимерной науки . 137 (44). Wiley: 49382. doi :10.1002/app.49382. ISSN  0021-8995. S2CID  219443752.
  10. ^ Онг, CS; Го, PS; Лау, WJ; Мисдан, N.; Исмаил, AF (2016). «Наноматериалы для снижения биообрастания и образования накипи на тонкопленочных композитных мембранах: обзор». Опреснение . 393. Elsevier BV: 2–15. Bibcode : 2016Desal.393....2O. doi : 10.1016/j.desal.2016.01.007. ISSN  0011-9164.
  11. ^ Dong, Hang; Zhao, Lin; Zhang, Lin; Chen, Huanlin; Gao, Congjie; Winston Ho, WS (2015). «Высокопроточные мембраны обратного осмоса с наночастицами цеолита NaY для опреснения солоноватой воды». Journal of Membrane Science . 476. Elsevier BV: 373–383. doi :10.1016/j.memsci.2014.11.054. ISSN  0376-7388.
  12. ^ Seah MQ, Lau WJ, Goh PS, Tseng HH, Wahab RA, Ismail AF. «Прогресс в области методов межфазной полимеризации для изготовления тонкопленочных (нано)композитных мембран из полиамида: всесторонний обзор». Polymers (Базель). 27 ноября 2020 г.;12(12):2817. doi: 10.3390/polym12122817. PMID: 33261079; PMCID: PMC7760071.