文摘
薄膜复合纳滤(NF)膜相对较新的膜相比其他类型的膜的驱使。然而,他们吸引了研究人员的兴趣由于其多功能性用于各种应用程序。在这种工作,一个新类NF膜成功伪造通过spin-assisted逐层组装支表面的沉积交替层(PEI)和聚(4-styrenesulfonate)钠(PSS)对超滤聚砜(PSF)膜。捏造的适用性膜对二价离子的去除研究。发现膜组成的(PEI / PSS)10-0.05 M氯化钠MgCl2废品率93.95%和0.9 L / m的渗透通量2·h酒吧在测试中使用横向气流执行渗透细胞横向气流速度为0.65米/秒,MgCl2饲料的浓度6530 ppm, 10条,压力温度32.5°C, pH值为6.5。这个结果表明,这种新的制造方法适用于生产聚电解质多层膜(PEM) NF膜表现出类似的商业的性能。
1。介绍
在膜的驱使,纳滤(NF)膜被认为是最近开发的一个。NF膜能力闻名拒绝多价离子和有机化合物加上高渗透通量。由于这些特点,NF尤其是水处理的使用变得越来越流行特别是在水处理应用,如删除多价离子(1,2),重金属(3- - - - - -5)、农药(6,7),染料(8),和纺织品9]。
至于其他的驱使膜,NF也遭受污染。快速沉积膜的形成造成重大通量减少可以伤害这个膜的操作尤其是运营成本。在严重的情况下,它甚至取代膜是必要的。膜清洗和更换占到6%和16%,分别占总数的水处理成本(10]。因此,改善这些污垢热阻的膜已成为降低上述成本的必要条件。
人们普遍认为膜的物理化学性质,如粗糙度、表面电荷,foulant-membrane表面相互作用和疏水性的主要因素影响他们的污染特征。这些问题的主要来源是膜材料本身。几种常见的商业聚合物如聚醚砜(PES)、聚酰胺(PA)和聚哌嗪酰胺(PPA)广泛用于NF /反渗透(RO)膜,占总销售额的91% (11]。例如,使用PA GE-Osmonics生产脱盐5 DL®, NF90®,和脱盐51 hl®;同时,PES被日本日东电工制造NTR7450®,而使用PPA东丽和电影科技准备UTC-20®和nf - 400®,分别。
所有这些膜,特别是聚酰胺膜,疏水性和展览相对粗糙的表面。因此,这些NF膜尤其容易受到污染。不幸的是,商业研究反渗透(RO) / NF膜从化学的角度已经停滞了一段时间了,在没有重大进展在过去的几十年中11,12]。
建议,对污染的膜化学和所使用的制造技术扮演了一个重要的部分,因为他们有一个决定对膜的物理化学性质的影响。因此,过去二十年的研究成果主要是针对新型膜材料的发展,包括无机的,以及那些将纳米粒子和聚合物具有高亲水性和有光滑的表面11]。
为了解决制造技术和膜化学,必须尝试一些新的新兴薄膜制造技术,真正提供访问控制纳米薄膜的性质,从化学的角度也提供灵活性。在薄膜制造技术,分层技术(LbL)大会被认为是最多才多艺的和最强劲的技术(13]。
在组装,LbL超薄层的厚度的顺序subnanometer规模可以交替沉积在一个支持层。因此,最终的活性层的厚度可以调整到所需的级别只是通过改变沉积的循环次数。人们也可以很容易改变膜表面电荷通过终止装配过程的沉积材料所需的费用(积极、消极或中性的)。为此,通常采用聚电解质,因为他们通常是亲水性和展览或正面或负面。这种技术本身可以利用各种材料包括有机、无机、甚至微生物。
为捏造LbL-assembled电影主要有三种方法,即浸渍、喷涂和旋转。Spin-assisted LbL (SA-LbL)大会被认为是最快的方法,也最适合最顺利的一个生产膜表面(14,15]。有几个做适合使用常规dip-LbL NF应用程序(16- - - - - -25];与此同时,使用SA-LbL组装制造NF膜仍处于初级阶段。然而,我们以前的工作表明,SA-LbL可以成功地用于制造此膜具有杰出的属性(26- - - - - -29日]。
基于上述文献综述,在这工作,spin-assisted LbL (SA-LbL)组装是用于制造NF膜适用于去除二价盐如MgCl2从水。同时,作为连续工作找到最合适的材料,提供高拒绝,高通量,和不容易生物淤积,另外两个聚合电解质,即polystyrenesulfonate (PSS)和聚(乙烯亚胺)(PEI)。层数和pH值的聚电解质研究因为裴弱聚电解质的电离度强烈影响装配和外部的pH值。
2。材料和方法
2.1。材料
在这个工作中,branched-polyethylenimine (PEI)分子量为25000和聚(钠4-styrenesulfonate) (PSS)的分子量70000的形式30 wt % H2O的解决方案是从Sigma-Aldrich购买(美国)。得到更纯的氯化钠总经理从沙劳打电话(西班牙),而能够允更纯的MgCl2•6小时2O是来自珞巴化学经纪有限公司(印度)。
股票的解决方案包含0.02聚合电解质(裴和PSS)包含额外的氯化钠浓度0.05米的准备。在这些实验中,贝聿铭的pH值和PSS的解决方案不同的发现膜制备的最优条件。
Polyethersulfone (PES)超滤(UF)膜(美国Sterlitech Corp . YMPWSP3001)和孔隙大小对应于一个分子量截止10 kDa被用作制造层支持PEM膜薄膜电路。PES超滤膜测试,发现展览235.7 L / m的渗透通量2·h 10条的压力和温度为33.5°C。各种材料的分子结构如图所示1。
(一)
(b)
(c)
2.2。PEM膜薄膜电路的制作
准备的裴和PSS的解决方案是交替沉积在PES超滤膜使用旋转涂布机(波罗SPIN150i®, SPS Inc .)。沉积之前,PES超滤膜的支持了在空气等离子体使用等离子体预处理清洁(PDC-32G-2 Harrick等离子Inc .)(其他地方描述每一个过程30.]。裴首先沉积在旋转PES支持作为第一层。PSS层随后沉积以类似的方式完成一个循环的双分子层沉积。沉积过程进行的速度3000转;这个速度是基于之前的研究(26),因为它有助于减少梯度径向厚度从支持中心(31日]。裴和PSS的解决方案都是沉积的速度0.2毫升/ 10年代,这部电影是让使脱水之后另一个20多岁。每次聚电解质沉积之后,当时相对干膜清洗和去离子的水(DI)的速度0.4 mL / 20年代删除任何弱保税聚电解质分子可能停留在表面。其次是利用离心力脱水20年代。由此产生的膜被贴上(PEI / PSS)x,“x”表示数量的影响。氯化钠浓度的两种聚电解质的解决方案是相同的0.05优化价值从我们以前的工作28,29日]。
2.3。渗透测试
渗透测试是使用横向气流执行渗透细胞(创新者®CF016, Sterlitech公司)。CF016系统有一个活跃的膜面积的20.6厘米2。渗透测试的条件如下:压力10条,进料温度32.39±0.27°C,横向流速(CFV) 0.65 m / s,和MgCl2浓度为6578.21±69.2 ppm。同时,原料液的pH值保持稳定在大约6.49±0.11不需要任何调整。这些测试进行5 h,每小时测量和操作条件。
3所示。结果与讨论
PEM膜组成的分支裴/ PSS影响捏造利用SA-LbL组装方法在PES超滤膜的支持。由此产生的膜是类似于交通膜。多层裴/ PSS拒绝盐作为活性层,而超滤PES支持提供整体膜结构的机械强度。PSS是强大的聚电解质的pKa 2.1在室温下(32),其电离度范围广泛的pH值保持恒定(33),而裴是弱聚电解质这意味着电离度强烈影响其pH值。
3.1。组装pH值对膜性能的影响
正如前面提到的,裴离解在水溶液中是pH值的函数;与此同时,聚电解质影响其构象的离解和多层结构。因此,必须研究装配pH值对膜性能的影响,即。,渗透通量和报废率。裴的pH值在这个工作,不仅组装解决方案进行了研究,而且PSS和冲洗液进行了研究。先前研究Lutkenhaus et al。34]为大会的影响提供了一个有价值的深入分析pH值的线性裴(LPEI)聚电解质多层结构由LPEI / PAA。
图2显示显著改善渗透率没有严重影响膜的废品率当裴的组装pH值保持在3.5和PSS从8到3.5了。这种趋势更加明显,当水冲洗pH值也相同的级别。这一趋势意味着外部pH值也会影响已经把裴的构象。
贝聿铭的组装pH值为3.5时,裴少高度电离状态,采用螺旋构象;同时,PSS总有高度平面构象由于其完全电离条件pH值。
同时聚合电解质的结合裴/ PSS /水的pH值3.5 / 8/7,预计分别显示PEM较高的渗透率。然而,事实上,它显示了磁导率最低。这个观察表明,外部pH值也有重大影响。携带更基本的水和PSS pH值会穿透已经把裴层和改变裴电离状态的电离。这导致内部结构的改变和层厚度的增加。最后,它提供了更多的障碍水运整个电影。相反的行为时注意到冲洗水的pH值和PSS在同一pH值调整为裴。在这种情况下,裴链构象持平,导致较高的渗透率,而当裴的pH值在更基本的pH值调整后,裴链变得不那么电离和采取更多的螺旋结构。因此,PEM膜厚,提供更少的渗透率。
拒绝NF膜机理更复杂一些,特别是对带电溶质,是工作。通常知道贡献机制有两种,即。,Donnan potential and steric hindrance in the rejection of charged solutes. When the layer was prepared from less ionized PEI, more PEI molecules are needed to compensate the charges of fully ionized PSS. This results in denser film compared to that prepared from highly ionized PEI. The denser film produces higher salt rejection.
3.2。的影响对膜性能的影响
数量的影响沉积在膜参数决定了膜性能也很重要。图3显示了渗透通量的变化和盐报废率影响的数量从5增加,8,10,然后20。这表明随着影响的人数的增加,渗透通量下降。通量下降等几件事可以影响层厚度、有效孔隙半径和孔隙度。然而,层厚度贡献最显著的效果。人们普遍知道的渗透通量的膜厚度成反比。因此,当添加了更多的层,该层厚度增加,导致通量的减少。通量下降然后变得停滞不前,因为消费者有更多的层数沉积,暗示的线性增长裴/ PSS电影报道其他地方(35]。
图3也显示了报废率的增加层数增加。这种趋势是由于改善表面覆盖。这项研究还表明,位阻和唐南潜力发挥重要作用在拒绝机制的NF膜。唐南潜在影响已经发生无论层数;同时,位阻效应越来越明显的表面覆盖率和分层质量改进通过更多层沉积。这仍然拒绝改进到一定数量的层,即。之后,大约10个影响,变得停滞不前。它表明,层数,已经完全覆盖的支持。
3.3。比较与其他NF膜
在本节中,我们的膜的性能比较与其他膜制造使用LbL组装或其他技术可以看到在桌子上1。如图所示,这项工作是与那些生产的膜膜甚至在6600 ppm MgCl时测试2,膜还显示了性能稳定。
4所示。结论
在这项研究中,PEM交通NF膜由裴/ PSS被成功制造使用SA-LbL组装。组装膜达到比较性能与商业膜如NF90测试在同一条件显示废品率为89%,渗透渗透率的4.37 L / h·m2。与此同时,(PEI / PSS)10-0.05实现报废率为93.95%,渗透渗透率的0.9 L / h·m2。
总之,该膜制备方法是有前途的,这个方法并不局限于一个特定类型的材料。一系列的材料,包括有机和无机材料甚至微生物曾创建薄层使用传统dip-LbL组装技术为各种应用程序。仍然存在巨大的研究空间和研究在这种膜包括优化制备条件下,膜材料的选择,稳定,等等。因此,世界各地的研究人员的参与是迫切需要的。
数据可用性
所有的数据都支持这项研究的结果显示在这个手稿。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这个项目由国家计划科学、技术和创新(MAARIFAH),阿卜杜勒阿齐兹国王科技城的Kingdome沙特阿拉伯,奖#:WAT68-08-R。作者也承认Farid博士Fadhillah对他有价值的分析和讨论。