In jüngster Zeit haben chinesische und amerikanische Forscher wichtige Fortschritte in der Forschung zur Wasseraufbereitung mit Umkehrosmosemembranen erzielt. Sie haben ein neues Membranmaterial entwickelt – Polyestermembranmaterial (DHMBA), das breite Anwendungsaussichten in der Meerwasserentsalzung, der kommunalen Abwasserreinigung und anderen Bereichen bietet.
Diese Leistung wurde kürzlich in Science veröffentlicht. Sie wurde gemeinsam von Professor Zhang Xuan von der Nanjing University of Science and Technology, dem Team von Huo Mingxin und Wang Xianze von der School of Environment der Northeast Normal University und Professor Menachem Elimelech (Yale University), einem Mitglied der American Academy of Engineering, erreicht.
„Polyestermembran“ fordert „Polyamidmembran“ heraus
Die Meerwasserentsalzung ist die einzige Technologie, mit der eine offene Steigerung der Süßwasserressourcen direkt an der Quelle möglich ist. Sie ist die erste Wahl zur Lösung des globalen Wassermangelproblems und ein wichtiger Bestandteil der Neugestaltung des Plans meines Landes zur „Wassersicherheit“.
Der derzeit gängigste kommerzielle Membrantyp zur Meerwasserentsalzung ist die Verbundpolyamidfolie (TFC-PA). Die Produkte von DuPont, Hydraulic Energy, Toray und anderen Unternehmen in den USA nehmen dabei den größten Teil des weltweiten Marktanteils ein.
Dünnschicht-Verbundmembranen zur Umkehrosmose sind seit fast einem halben Jahrhundert die Goldstandardtechnologie für Entsalzung und Wasseraufbereitung. Polyamid-Dünnschicht-Verbundmembranen zur Umkehrosmose (TFC-RO) sind aufgrund ihrer hervorragenden Trennleistung zur Technologie der Wahl für Entsalzung und Abwasserwiederverwendung geworden.
Diese Membranen werden durch Grenzflächenpolymerisation hergestellt, was zu einer rauen Oberfläche führt, die anfällig für die Adsorption von Schadstoffen ist. Obwohl Oxidationsmittel Biofouling reduzieren können, werden Polyamidmembranen in Gegenwart von Chlor leicht beschädigt.
Daher erfordert die industrielle Wasseraufbereitung teure Vorbehandlungsschritte wie Koagulation, Zugabe von Antifouling-Mitteln, Desinfektion und Entchlorung, um die Membranen zu schützen. Obwohl es seit kurzem fouling- und chlorresistente Membranen gibt, ist ihre Entsalzungsleistung schlechter als die von Polyamidmembranen.
Ein Sonderfall ist eine selektive Polyesterschicht auf einem PES-Substrat, die eine gute Chlorbeständigkeit und Entsalzungskapazität aufweist, aber bei einem pH-Wert über 8 hydrolyseanfällig ist.0. Die Entwicklung robuster Membranen, bei denen eine Vorbehandlung vermieden werden kann, wird die Kosten der Entsalzung und die Umweltauswirkungen erheblich senken.
Um diese Probleme zu lösen, begann das Forschungsteam von Professor Zhang Xuan an der NUST 2014 mit der Entwicklung von Materialinnovationen im Bereich der Umkehrosmosemembranen und führte eine große Menge angewandter Grundlagenforschung durch. Sie konzentrierten sich auch auf das Materialsystem der Polyester-Trennmembran und führten weiterhin strukturelle Entwicklungen und technologische Innovationen durch.
Schließlich entwickelten die Forscher eine Umkehrosmosemembran aus Polyesterfolie (DHMBA) mit hoher Wasserdurchlässigkeit, hoher Beständigkeit gegen Natriumchlorid und Bor sowie vollständiger Chlorbeständigkeit. Im Vergleich zu Polyamidmembranen kann die ultraglatte, energiearme Membranoberfläche auch Verschmutzungen und Mineralablagerungen verhindern.
Diese Membranen ermöglichen eine erhebliche Reduzierung der Vorbehandlungsschritte bei der Meerwasserentsalzung durch eine weitere Optimierung der Wasser-Salz-Selektivität und stellen somit eine zunehmende Herausforderung für Polyamidmembranen dar.
Darüber hinaus folgt die DHMBA-Polyester-Umkehrosmosemembran dem Produktionsprozess bestehender kommerzieller Membranen, was die Machbarkeit einer Produktion im großen Maßstab verbessert und einen Meilenstein in der Entwicklung der Umkehrosmoseindustrie darstellt.
Welche verbesserten Eigenschaften bietet das neue Membranmaterial?
1. Entsalzungsleistung
Die Forscher charakterisierten die hergestellte DHMBA-Membran und bestätigten, dass ihre Oberfläche fehlerfrei war und eine Vernetzungsdichte von über 92 % aufwies, was auf die Bildung einer stabilen Polyesterstruktur hindeutet.
Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie zeigten, dass die Membranoberfläche glatt und weniger rau war als bei herkömmlichen Polyamidmembranen.
Atomsonden und andere Techniken bestätigten zusätzlich die Gleichmäßigkeit und angemessene Dicke der Membran. Im Vergleich zu handelsüblichen Membranen auf dem Markt schnitt die DHMBA-Membran bei der Entsalzung besser ab, insbesondere in Bezug auf Salzabweisung und Wasserfluss.
Darüber hinaus zeigte es bei der Entfernung von Bor bessere Ergebnisse als aktuelle Technologien und konnte unter verschiedenen Bedingungen hohe Entfernungsraten aufrechterhalten, was möglicherweise mit den einzigartigen chemischen und Ladungseigenschaften des Mittels zusammenhängt.
2. Membran-Chlorstabilität
Die Forscher testeten auch die Chlorstabilität von DHMBA- und SW30-Membranen. Im Einklang mit früheren Studien verschlechterte sich die Leistung der Polyamid-basierten SW30-Membranen bei Kontakt mit aktivem Chlor unter allen pH-Bedingungen rasch, insbesondere unter sauren Bedingungen aufgrund der direkten Korrosion durch HOCl-Spezies.
Im Gegensatz dazu zeigte die DHMBA-Membran ausgezeichnete antioxidative Eigenschaften, da die Substituenten an bestimmten Positionen in ihrer Struktur direkte Chlorierungsreaktionen verhinderten.
Insbesondere unter sauren Bedingungen mit einem pH-Wert von 0 behielt die DHMBA-Membran eine stabile Entsalzungsleistung bei. DFT-Berechnungen und XPS-Ergebnisse untermauerten diese Schlussfolgerung und zeigten ihre Beständigkeit gegenüber aromatischen Substitutionsreaktionen.
Unter neutralen pH-Bedingungen kann die DHMBA-Membran in Tests bis zu 2000 Stunden stabil bleiben und selbst bei pH-Werten von bis zu 9,0 extrem hohen Konzentrationen an freiem Chlor standhalten, was ihre hervorragende Alkalibeständigkeit beweist.
3. Membran-Antifouling
Die Forscher verglichen die Fähigkeit von Polyestermembranen und SW30-Membranen, anorganische (mineralische) und organische Schadstoffe zu behandeln.
Bei Tests mit Modellgipslösungen und simuliertem Meerwasser sank der Wasserdurchfluss der polyamidbasierten SW30-Membran rapide, während die Leistung der Polyestermembran während eines 24-stündigen Betriebs im Wesentlichen unverändert blieb.
Durch Rasterelektronenmikroskopie lässt sich erkennen, dass die Oberfläche der DHMBA-Membran nach dem Meerwasserentsalzungstest nahezu in ihrem ursprünglichen Zustand verbleibt, während sich auf der Oberfläche der SW30-Membran Kristalle oder Aggregate bilden.
Ebenso zeigte die DHMBA-Membran bei der Behandlung von Salzlaugen mit simulierten organischen Schadstoffen wie Natriumalginat und Huminsäure eine minimale Verringerung des Wasserflusses im Vergleich zur SW30-Membran. FE-SEM-Bilder zeigten eine geringere Ansammlung von Fouling auf der Oberfläche der DHMBA-Membran im Vergleich zu dem dicken und dichten Filterkuchen, der sich auf der Oberfläche der SW30-Membran bildete.
Diese Antifouling- und Antihafteigenschaften der DHMBA-Membran können auf ihre ultraglatten, niederenergetischen und niedrig geladenen Oberflächeneigenschaften zurückgeführt werden.
Bei Tests mit echtem Meerwasser und unter normalen Chlorbehandlungsbedingungen zeigte die DHMBA-Membran eine ausgezeichnete Stabilität. Nach 15 Tagen war der Wasserfluss nur um 2 % zurückgegangen, was ihr Potenzial für Anwendungen in der Praxis unterstreicht.
