Тонкопленочная композитная мембрана

Тонкопленочные композитные мембраны ( TFC или TFM ) представляют собой полупроницаемые мембраны, изготовленные для обеспечения селективности с высокой проницаемостью. Большинство ТФУ используются в системах очистки или опреснения воды . Они также используются в химической промышленности, например, при разделении газов , осушении , производстве батарей и топливных элементов . Мембрану ТФК можно рассматривать как молекулярное сито, построенное в виде пленки из двух и более слоистых материалов. Дополнительные слои обеспечивают структурную прочность и поверхность с низким уровнем дефектов, поддерживая селективный слой, который достаточно тонкий, чтобы быть селективным, но не настолько толстый, чтобы вызвать низкую проницаемость.

Мембраны TFC для очистки воды обычно классифицируются как мембраны для 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 несущего листа из нетканого материала. Трехслойная конфигурация обеспечивает желаемые свойства: высокую степень удаления нежелательных материалов (например, солей), высокую скорость фильтрации и хорошую механическую прочность. Верхний слой из полиамида обеспечивает высокий уровень отбраковки и выбирается в первую очередь из-за его проницаемости для воды и относительной непроницаемости для различных растворенных примесей, включая ионы солей и другие мелкие, нефильтруемые молекулы . ^{[ 1 ]} Хотя TFC еще не полностью коммерциализированы, они также используются в других технологиях очистки воды, включая прямой осмос . ^{[ 2 ]} мембранная дистилляция , ^{[ 3 ]} и электродиализ . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

История

Первая жизнеспособная мембрана обратного осмоса была изготовлена из ацетата целлюлозы в виде асимметричной полупроницаемой мембраны со сплошной оболочкой. Эта мембрана была изготовлена Лебом 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 тонкопленочно-композитную (TFC) мембрану из полиамида (IP) с межфазным слоем. ^{[ 6 ]} Нынешнее поколение мембранных материалов обратного осмоса (RO) основано на композитном материале, запатентованном FilmTec Corporation в 1970 году (ныне часть DuPont ). Сегодня в большинстве таких мембран для обратного осмоса и нанофильтрации используется активный слой из полиамида.

Структура и материалы

Как следует из названия, мембраны TFC состоят из нескольких слоев. используется активный тонкопленочный слой полиамида , покрытый полисульфоном В мембранах, предназначенных для опреснения воды, в качестве пористого опорного слоя . Активные слои имеют тенденцию быть чрезвычайно тонкими и относительно непористыми. Химический состав этих слоев часто придает селективность. Между тем, опорные слои, как правило, должны быть одновременно чрезвычайно пористыми и устойчивыми к более высоким давлениям. ^{[ 7 ]}

другие материалы, обычно цеолиты При изготовлении мембран ТФУ также используются .

Приложения

Тонкопленочные композитные мембраны используются в

Очистка воды
На заводе РО;
химических реакций в качестве буфера (батареи и топливные элементы);
при разделении промышленных газов.

Ограничения

Мембраны из тонкопленочных композитов обычно страдают от эффекта уплотнения под давлением. По мере увеличения давления воды полимеры слегка реорганизуются в более плотную структуру, что приводит к снижению пористости, что в конечном итоге ограничивает эффективность системы, предназначенной для их использования. В общем, чем выше давление, тем сильнее уплотнение.

Загрязнение поверхности: коллоидные частицы, заражение бактериями ( биологическое обрастание ). ^{[ 8 ]}

Химическое разложение и окисление.

Производительность

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

Из-за важности пропускной способности мембрану изготавливают как можно тоньше. Эти тонкие слои создают дефекты, которые могут повлиять на селективность, поэтому при проектировании системы желаемая пропускная способность обычно учитывается как селективностью, так и эксплуатационным давлением.

В приложениях, отличных от фильтрации, могут доминировать такие параметры, как механическая прочность, температурная стабильность и электропроводность.

Активные направления исследований

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

Уменьшение загрязнения мембраны ^{[ 10 ]}

Новые материалы, синтетические цеолиты, ^{[ 11 ]} и т. д. для получения более высокой производительности.

Компания NanoH2O Inc. вывела на рынок мембрану, в которой наночастицы цеолита были синтезированы и внедрены в мембрану обратного осмоса с образованием 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 неприятия соли. ^{[ 12 ]}

Топливные элементы.

Батарейки.

См. также

Ссылки

^ Лау, WJ; Исмаил, А.Ф.; Мисдан, Н.; Кассим, Массачусетс (2012). «Недавний прогресс в области тонкопленочных композитных мембран: обзор». Опреснение . 287 . Эльзевир Б.В.: 190–199. Бибкод : 2012Desal.287..190L . дои : 10.1016/j.desal.2011.04.004 . ISSN 0011-9164 .
^ Да, Нгай Инь; Тираферри, Альберто; Филипп, Уильям А.; Шиффман, Джессика Д.; Элимелех, Менахем (15 мая 2010 г.). «Высокоэффективная тонкопленочная композитная мембрана для прямого осмоса». Экологические науки и технологии . 44 (10). Американское химическое общество (ACS): 3812–3818. Бибкод : 2010EnST...44.3812Y . дои : 10.1021/es1002555 . ISSN 0013-936X . ПМИД 20408540 .
^ Джуйбари, Хамид Фаттахи; Карими, Мохаммед; Шривастава, Ришаб; Сваминатан, Джайчандер; Варсингер, Дэвид М. (2023). «Супергидрофобная композитная асимметричная электропряденая мембрана для устойчивой вакуумной мембранной дистилляции с воздушным зазором» . Опреснение . 553 . Elsevier BV: 116411. Бибкод : 2023Desal.55316411J . дои : 10.1016/j.desal.2023.116411 . ISSN 0011-9164 .
^ Чхве, Джуён; Ким, Хансу; Чон, Сунгвон; Шин, Мин Гю; Со, Джин Ён; Пак, Ю-Ин; Парк, Хосик; Ли, Альберт С.; Ли, Чансу; Ким, Минджун; Чо, Хён Сок; Ли, Юнг-Хён (25 мая 2023 г.). «Тонкопленочные композитные мембраны как новая категория мембран для электролиза щелочной воды». Маленький . 19 (37). Уайли. дои : 10.1002/smll.202300825 . ISSN 1613-6810 .
^ Тейлор, Рэйчел; Ши, Ле; Чжоу, Сюэчэнь; Росси, Руджеро; Пичоряну, Кристиан; Логан, Брюс Э. (2023). «Электрохимический и гидравлический анализ тонкопленочных композитных мембран и мембран из триацетата 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 .
^ Лу, Синлинь 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 .
^ Пэн, Лу Эльфа; Ян, Чжэ; Лонг, Ли; Чжоу, Шэнхуа; Го, Хао; Тан, Чуян Ю. (2022). «Критический обзор пористых подложек 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 .
^ Тау, Эмили В.; Линхард В., Джон Х. (2017). «Распаковка уплотнения: влияние гидравлического давления на альгинатное загрязнение». Журнал мембранной науки . 544 . Эльзевир Б.В.: 221–233. дои : 10.1016/j.memsci.2017.09.010 . hdl : 1721.1/111677 . ISSN 0376-7388 . S2CID 41638480 .
^ Урпер-Байрам, Гюльсум Мелике; Босса, Натан; Варсингер, Дэвид М.; Коюнджу, Исмаил; Визнер, Марк (13 мая 2020 г.). «Сравнительное влияние нанонаполнителей SiO 2 и TiO 2 на характеристики тонкопленочных нанокомпозитных мембран» . Журнал прикладной науки о полимерах . 137 (44). Уайли: 49382. doi : 10.1002/app.49382 . ISSN 0021-8995 . S2CID 219443752 .
^ Онг, CS; Гох, PS; Лау, WJ; Мисдан, Н.; Исмаил, А.Ф. (2016). «Наноматериалы для предотвращения биообрастания и предотвращения отложений тонкопленочных композитных мембран: обзор». Опреснение . 393 . Эльзевир Б.В.: 2–15. Бибкод : 2016Desal.393....2O . дои : 10.1016/j.desal.2016.01.007 . ISSN 0011-9164 .
^ Донг, Ханг; Чжао, Линь; Чжан, Линь; Чен, Хуаньлинь; Гао, Цунцзе; Уинстон Хо, WS (2015). «Высокопоточные мембраны обратного осмоса с наночастицами цеолита NaY для опреснения солоноватой воды». Журнал мембранной науки . 476 . Эльзевир Б.В.: 373–383. дои : 10.1016/j.memsci.2014.11.054 . ISSN 0376-7388 .
^ Сих MQ, Лау WJ, Гох PS, Ценг Х.Х., Вахаб Р.А., Исмаил А.Ф. «Прогресс в области методов межфазной полимеризации для изготовления тонких полиамидных (нано)композитных мембран: всесторонний обзор». Полимеры (Базель). 27 ноября 2020 г.; 12 (12): 2817. doi: 10.3390/polym12122817. PMID: 33261079; PMCID: PMC7760071.

[Lau_Ismail_Misdan_Kassim_2012_pp._190–199-1] Лау, WJ; Исмаил, А.Ф.; Мисдан, Н.; Кассим, Массачусетс (2012). «Недавний прогресс в области тонкопленочных композитных мембран: обзор». Опреснение . 287 . Эльзевир Б.В.: 190–199. Бибкод : 2012Desal.287..190L . дои : 10.1016/j.desal.2011.04.004 . ISSN 0011-9164 .

[Yip_Tiraferri_Phillip_Schiffman_2010_pp._3812–3818-2] Да, Нгай Инь; Тираферри, Альберто; Филипп, Уильям А.; Шиффман, Джессика Д.; Элимелех, Менахем (15 мая 2010 г.). «Высокоэффективная тонкопленочная композитная мембрана для прямого осмоса». Экологические науки и технологии . 44 (10). Американское химическое общество (ACS): 3812–3818. Бибкод : 2010EnST...44.3812Y . дои : 10.1021/es1002555 . ISSN 0013-936X . ПМИД 20408540 .

[Juybari_Karimi_Srivastava_Swaminathan_2023_p._116411-3] Джуйбари, Хамид Фаттахи; Карими, Мохаммед; Шривастава, Ришаб; Сваминатан, Джайчандер; Варсингер, Дэвид М. (2023). «Супергидрофобная композитная асимметричная электропряденая мембрана для устойчивой вакуумной мембранной дистилляции с воздушным зазором» . Опреснение . 553 . Elsevier BV: 116411. Бибкод : 2023Desal.55316411J . дои : 10.1016/j.desal.2023.116411 . ISSN 0011-9164 .

[Choi_Kim_Jeon_Shin_2023_p.-4] Чхве, Джуён; Ким, Хансу; Чон, Сунгвон; Шин, Мин Гю; Со, Джин Ён; Пак, Ю-Ин; Парк, Хосик; Ли, Альберт С.; Ли, Чансу; Ким, Минджун; Чо, Хён Сок; Ли, Юнг-Хён (25 мая 2023 г.). «Тонкопленочные композитные мембраны как новая категория мембран для электролиза щелочной воды». Маленький . 19 (37). Уайли. дои : 10.1002/smll.202300825 . ISSN 1613-6810 .

[Taylor_Shi_Zhou_Rossi_2023_p._121692-5] Тейлор, Рэйчел; Ши, Ле; Чжоу, Сюэчэнь; Росси, Руджеро; Пичоряну, Кристиан; Логан, Брюс Э. (2023). «Электрохимический и гидравлический анализ тонкопленочных композитных мембран и мембран из триацетата 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, Синлинь 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 .

[Peng_Yang_Long_Zhou_2022_p._119871-7] Пэн, Лу Эльфа; Ян, Чжэ; Лонг, Ли; Чжоу, Шэнхуа; Го, Хао; Тан, Чуян Ю. (2022). «Критический обзор пористых подложек 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 .

[Tow_Lienhard_V_2017_pp._221–233-8] Тау, Эмили В.; Линхард В., Джон Х. (2017). «Распаковка уплотнения: влияние гидравлического давления на альгинатное загрязнение». Журнал мембранной науки . 544 . Эльзевир Б.В.: 221–233. дои : 10.1016/j.memsci.2017.09.010 . hdl : 1721.1/111677 . ISSN 0376-7388 . S2CID 41638480 .

[Urper‐Bayram_Bossa_Warsinger_Koyuncu_p=49382-9] Урпер-Байрам, Гюльсум Мелике; Босса, Натан; Варсингер, Дэвид М.; Коюнджу, Исмаил; Визнер, Марк (13 мая 2020 г.). «Сравнительное влияние нанонаполнителей SiO 2 и TiO 2 на характеристики тонкопленочных нанокомпозитных мембран» . Журнал прикладной науки о полимерах . 137 (44). Уайли: 49382. doi : 10.1002/app.49382 . ISSN 0021-8995 . S2CID 219443752 .

[Ong_Goh_Lau_Misdan_2016_pp._2–15-10] Онг, CS; Гох, PS; Лау, WJ; Мисдан, Н.; Исмаил, А.Ф. (2016). «Наноматериалы для предотвращения биообрастания и предотвращения отложений тонкопленочных композитных мембран: обзор». Опреснение . 393 . Эльзевир Б.В.: 2–15. Бибкод : 2016Desal.393....2O . дои : 10.1016/j.desal.2016.01.007 . ISSN 0011-9164 .

[Dong_Zhao_Zhang_Chen_2015_pp._373–383-11] Донг, Ханг; Чжао, Линь; Чжан, Линь; Чен, Хуаньлинь; Гао, Цунцзе; Уинстон Хо, WS (2015). «Высокопоточные мембраны обратного осмоса с наночастицами цеолита NaY для опреснения солоноватой воды». Журнал мембранной науки . 476 . Эльзевир Б.В.: 373–383. дои : 10.1016/j.memsci.2014.11.054 . ISSN 0376-7388 .

[12] Сих MQ, Лау WJ, Гох PS, Ценг Х.Х., Вахаб Р.А., Исмаил А.Ф. «Прогресс в области методов межфазной полимеризации для изготовления тонких полиамидных (нано)композитных мембран: всесторонний обзор». Полимеры (Базель). 27 ноября 2020 г.; 12 (12): 2817. doi: 10.3390/polym12122817. PMID: 33261079; PMCID: PMC7760071.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]