Khám Phá Phương Pháp Đúc Polyme Giao Diện Để Chế Tạo Màng Nanofiltration Siêu Liên Kết Với Amin Tĩnh Mạch Thẳng Làm Thành Phần Để Sản Xuất Nước Ngọt

npj Clean Water - Tập 5 Số 1
Umair Baig1, Abdul Waheed1
1Interdisciplinary Research Center for Membranes and Water Security, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran, Saudi Arabia

Tóm tắt

Tóm tắt

Nhân loại đang phải đối mặt với thách thức toàn cầu về tài nguyên nước ngày càng cạn kiệt và tình hình trở nên nghiêm trọng hơn do dân số tăng lên dẫn đến ô nhiễm nước quá mức. Nanofiltration là một công nghệ dựa trên màng quan trọng trong việc sản xuất nước sạch và nước uống cho các hoạt động sinh hoạt và công nghiệp. Các màng nanofiltration composite màng mỏng polyamide siêu liên kết (HCPA-TFC-NF) đã được tạo ra bằng cách sử dụng amin đa chức năng 1 (có hai nhóm -NH2 chính và hai nhóm -NH thứ cấp) và clorua terephthaloyl hai chức năng 2 (TPC) thông qua quá trình polymer hóa giao diện. Cấu trúc mạng polyamide siêu liên kết đã được xác nhận thành công bằng phương pháp NMR carbon-13 rắn (CP-MAS), XPS, AFM, FT-IR, phân tích bản đồ nguyên tố và phân tích EDX. Các đặc tính của màng như hình thái bề mặt và tính ưa nước đã được xác định qua các phép đo FE-SEM và góc tiếp xúc với nước. Phân tích FE-SEM đã tiết lộ sự hình thành lớp hoạt động polyamide đồng nhất trên bề mặt hỗ trợ PS/PET, và cấu trúc lỗ của các màng đã được điều chỉnh bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ làm cứng và thời gian làm cứng. Các màng nanofiltration đã từ chối hiệu quả một loạt các muối hai hóa trị bao gồm MgCl2, CaCl2, Na2SO4, MgSO4, và NaCl bằng cách sử dụng thiết lập lọc dòng chéo. Dựa trên hiệu suất lọc dòng chéo, các điều kiện tốt nhất cho việc chế tạo màng được tìm thấy là nhiệt độ làm cứng 80 °C với thời gian làm cứng 1 h. Tỷ lệ từ chối muối cao nhất được quan sát trong trường hợp MgCl2 đạt giá trị 98.11% trong trường hợp HCPA-TFC-NF@M3 và được tìm thấy là 97.45% trong trường hợp HCPA-TFC-NF@M2 trong khi mức độ từ chối MgCl2 đã giảm xuống 94.59% trong trường hợp HCPA-TFC-NF@M1. HCPA-TFC-NF@M2 cho thấy tỷ lệ từ chối NaCl đạt 87.36%. Việc xử lý bằng axit hydrofluoric của HCPA-TFC-NF-M2 đã tăng cường lưu lượng nước trong khi vẫn giữ mức độ từ chối cao. HCPA-TFC-NF@M2 cho thấy tỷ lệ từ chối lớn hơn 99% với EBT và lưu lượng thẩm thấu đạt 75 LMH.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Misra, A. K. Climate change and challenges of water and food security. Int. J. Sustain. Built Environ. 3, 153–165 (2014).

Boretti, A. & Rosa, L. Reassessing the projections of the World Water Development Report. NPJ Clean. Water 2, 1–6 (2019).

Jones, E., Qadir, M., van Vliet, M. T. H., Smakhtin, V. & Kang, S. M. U. The state of desalination and brine production: A global outlook. Sci. Total Environ. 657, 1343–1356 (2019).

Hu, L., You, M. & Meng, J. Chlorination as a simple but effective method to improve the water/salt selectivity of polybenzimidazole for desalination membrane applications. J. Memb. Sci. 638, 119745 (2021).

Ezugbe, E. O. & Rathilal, S. Membrane technologies in wastewater treatment: a review. Membranes 10, 89 (2020).

Huang, T. et al. Molecularly-porous ultrathin membranes for highly selective organic solvent nanofiltration. Nat. Commun. 11, 1–10 (2020).

Cheng, X. et al. Finely tailored pore structure of polyamide nanofiltration membranes for highly-efficient application in water treatment. Chem. Eng. J. 417, 127976 (2021).

Yang, Z., Guo, H. & Tang, C. Y. The upper bound of thin-film composite (TFC) polyamide membranes for desalination. J. Memb. Sci. 590, 117297 (2019).

Singh, R. Introduction to membrane technology. Membr. Technol. Eng. Water Purif. 1–80 https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63362-0.00001-X (2015).

Zhang, L. et al. Polyamide nanofiltration membrane with high mono/divalent salt selectivity via pre-diffusion interfacial polymerization. J. Memb. Sci. 636, 119478 (2021).

Akbari, A., Aliyarizadeh, E., Mojallali Rostami, S. M. & Homayoonfal, M. Novel sulfonated polyamide thin-film composite nanofiltration membranes with improved water flux and anti-fouling properties. Desalination 377, 11–22 (2016).

Lee, K. P., Bargeman, G., de Rooij, R., Kemperman, A. J. B. & Benes, N. E. Interfacial polymerization of cyanuric chloride and monomeric amines: pH resistant thin film composite polyamine nanofiltration membranes. J. Memb. Sci. 523, 487–496 (2017).

Trivedi, J. S., Bhalani, D. V., Bhadu, G. R. & Jewrajka, S. K. Multifunctional amines enable the formation of polyamide nanofilm composite ultrafiltration and nanofiltration membranes with modulated charge and performance. J. Mater. Chem. A 6, 20242–20253 (2018).

Zhang, X., Lv, Y., Yang, H. C., Du, Y. & Xu, Z. K. Polyphenol coating as an interlayer for thin-film composite membranes with enhanced nanofiltration performance. ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 32512–32519 (2016).

Yang, Q., Xu, Z.-K., Dai, Z.-W., Wang, J.-L. & Ulbricht, M. Surface modification of polypropylene microporous membranes with a novel glycopolymer. Chem. Mater. 17, 3050–3058 (2005).

González Muñoz, M. P. et al. Hydrofluoric acid treatment for improved performance of a nanofiltration membrane. Desalination 191, 273–278 (2006).

Liu, S., Fang, F., Wu, J. & Zhang, K. The anti-biofouling properties of thin-film composite nanofiltration membranes grafted with biogenic silver nanoparticles. Desalination 375, 121–128 (2015).

Lu, X. et al. Elements provide a clue: nanoscale characterization of thin-film composite polyamide membranes. ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 16917–16922 (2015).

Wang, L. et al. Salt and water transport in reverse osmosis membranes: beyond the solution-diffusion model. Environ. Sci. Technol. 55, 16665–16675 (2021).

González, M. P. et al. Effect of phosphoric and hydrofluoric acid on the structure and permeation of a nanofiltration membrane. J. Memb. Sci. 281, 177–185 (2006).

Smith, B. C. Organic nitrogen compounds V: amine salts. https://www.spectroscopyonline.com/view/organic-nitrogen-compounds-v-amine-salts (2019).

Xu, R. et al. Influence of L-lysine on the permeation and antifouling performance of polyamide thin film composite reverse osmosis membranes. RSC Adv. 8, 25236–25247 (2018).

Kamaly, N., Yameen, B., Wu, J. & Farokhzad, O. C. Degradable controlled-release polymers and polymeric nanoparticles: Mechanisms of controlling drug release. Chem. Rev. 116, 2602–2663 (2016).

Zhao, Y., Zhang, Z., Dai, L. & Zhang, S. Preparation of high water flux and antifouling RO membranes using a novel diacyl chloride monomer with a phosphonate group. J. Memb. Sci. 536, 98–107 (2017).

Rahimpour, A., Jahanshahi, M., Mortazavian, N., Madaeni, S. S. & Mansourpanah, Y. Preparation and characterization of asymmetric polyethersulfone and thin-film composite polyamide nanofiltration membranes for water softening. Appl. Surf. Sci. 256, 1657–1663 (2010).

Sun, H. et al. Fabrication of thin-film composite polyamide nanofiltration membrane based on polyphenol intermediate layer with enhanced desalination performance. Desalination 488, 114525 (2020).

Yu, S. et al. Study on polyamide thin-film composite nanofiltration membrane by interfacial polymerization of polyvinylamine (PVAm) and isophthaloyl chloride (IPC). J. Memb. Sci. 379, 164–173 (2011).

Lee, J. S. et al. Simple method for preparing thin film composite polyamide nanofiltration membrane based on hydrophobic polyvinylidene fluoride support membrane. Thin Solid Films 624, 136–143 (2017).

Wen, P. et al. Polyamide thin film composite nanofiltration membrane modified with acyl chlorided graphene oxide. J. Memb. Sci. 535, 208–220 (2017).

Misdan, N., Lau, W. J., Ismail, A. F. & Matsuura, T. Formation of thin film composite nanofiltration membrane: Effect of polysulfone substrate characteristics. Desalination 329, 9–18 (2013).

Li, W. et al. A positively charged composite nanofiltration membrane modified by EDTA for LiCl/MgCl2 separation. Sep. Purif. Technol. 186, 233–242 (2017).

Ang, M. B. M. Y. et al. Correlating PSf support physicochemical properties with the formation of piperazine-based polyamide and evaluating the resultant nanofiltration membrane performance. Polymers (Basel). 9, 505 (2017).

Jiang, Z. et al. A pH-stable positively charged composite nanofiltration membrane with excellent rejection performance. RSC Adv. 9, 37546–37555 (2019).