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突破！新型聚酯膜挑戰聚酰胺膜，海水淡化迎來新希望

文章來源：賢集網更新時間：2024-07-08 15:49:41

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、市政廢水凈化等領域有廣闊應用前景。該成果近期發布在《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“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、顆粒和有機物質等雜質留在膜的一側，達到凈化水的目的。反滲透膜是一種高效的水處理技術，可用于海水淡化、廢水處理、飲用水凈化等領域。

海水淡化作為唯一能從源頭上實現淡水資源開源性增量的技術，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”規劃的重要組成部分。目前，主流商業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品占據全球市場絕大多數份額。

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。聚酰胺薄膜復合逆滲透（TFC-RO）膜因其優異的分離效率已成為海水淡化和廢水回用的首選技術。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，工業水處理需通過昂貴的預處理步驟（如混凝、添加防結垢劑、消毒和除氯）來保護膜。近期盡管出現了耐污染和耐氯膜，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。開發能避免預處理的堅韌膜將顯著降低淡化成本和環境影響。

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域的材料革新并開展了大量應用基礎研究，并將目光鎖定于聚酯分離膜材料體系，持續開展了結構創制與技術革新。最終

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、市政廢水凈化等領域有廣闊應用前景。該成果近期發布在《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“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、顆粒和有機物質等雜質留在膜的一側，達到凈化水的目的。反滲透膜是一種高效的水處理技術，可用于海水淡化、廢水處理、飲用水凈化等領域。

海水淡化作為唯一能從源頭上實現淡水資源開源性增量的技術，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”規劃的重要組成部分。目前，主流商業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品占據全球市場絕大多數份額。

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。聚酰胺薄膜復合逆滲透（TFC-RO）膜因其優異的分離效率已成為海水淡化和廢水回用的首選技術。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，工業水處理需通過昂貴的預處理步驟（如混凝、添加防結垢劑、消毒和除氯）來保護膜。近期盡管出現了耐污染和耐氯膜，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。開發能避免預處理的堅韌膜將顯著降低淡化成本和環境影響。

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域的材料革新并開展了大量應用基礎研究，并將目光鎖定于聚酯分離膜材料體系，持續開展了結構創制與技術革新。最終

研究人員們設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垢。這些膜通過進一步優化水-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，從而對聚酰胺膜構成越來越大的挑戰。此外，DHMBA型聚酯反滲透膜沿用了現有商用膜的生產工藝，提升了規?；a的可行性，這對反滲透行業的發展具有里程碑意義。

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%的交聯密度，表明形成了穩定的聚酯結構。通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀察，發現膜表面平滑，粗糙度低于傳統聚酰胺膜。原子探針和其他技術進一步證實了膜的均勻性和適宜的厚度。與市面上的商業膜相比，DHMBA膜在淡化性能上表現更優，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優于當前技術，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。

膜氯穩定性

研究人員還對DHMBA和SW30膜進行了氯穩定性測試。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，原因是其結構上特定位置的取代基阻止了直接的氯化反應。尤其是在pH為0的酸性條件下，DHMBA膜保持了穩定的脫鹽性能，DFT計算和XPS結果支持這一結論，表明其對芳香族取代反應的抵抗力。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，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膜展現出卓越的穩定性，15天后水通量僅降低2%，強調了其在現實應用中的潛力。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551270.html
來源：賢集網
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。

研究人員們設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垢。這些膜通過進一步優化水-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，從而對聚酰胺膜構成越來越大的挑戰。此外，DHMBA型聚酯反滲透膜沿用了現有商用膜的生產工藝，提升了規?；a的可行性，這對反滲透行業的發展具有里程碑意義。

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%的交聯密度，表明形成了穩定的聚酯結構。通過掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀察，發現膜表面平滑，粗糙度低于傳統聚酰胺膜。原子探針和其他技術進一步證實了膜的均勻性和適宜的厚度。與市面上的商業膜相比，DHMBA膜在淡化性能上表現更優，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優于當前技術，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。

膜氯穩定性

研究人員還對DHMBA和SW30膜進行了氯穩定性測試。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，原因是其結構上特定位置的取代基阻止了直接的氯化反應。尤其是在pH為0的酸性條件下，DHMBA膜保持了穩定的脫鹽性能，DFT計算和XPS結果支持這一結論，表明其對芳香族取代反應的抵抗力。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，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膜展現出卓越的穩定性，15天后水通量僅降低2%，強調了其在現實應用中的潛力。

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