Tác động của loại trừ điện môi đối với hiệu suất từ chối của các màng nanofiltration polyamide có điện tích không đồng nhất

Springer Science and Business Media LLC - Tập 21 - Trang 1-13 - 2019
Yunjie Zhu1,2, Haochen Zhu1,2, Guangming Li1,2, Zhaohuan Mai3, Yuliang Gu4
1State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai, China
2Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai, China
3Institute of Energy Conversion, |Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang, China
4National Engineering Research Center of Urban Water Resources, Shanghai National Engineering Research Center of Urban Water Resources Co., Ltd., Shanghai, China

Tóm tắt

Quá trình lọc nano đã được áp dụng như một phương pháp đầy hứa hẹn trong việc xử lý nước nhờ cơ chế tách riêng đặc biệt của nó. Là loại màng nanofiltration chính có mặt trên thị trường, hầu hết các màng nanofiltration polyamide mỏng được tạo ra bằng phương pháp polymer hóa giao diện có lớp hoạt động chứa nhóm amine và acid carboxylic được phân bố một cách không đồng nhất, dẫn đến sự phân bố điện tích cố định không đồng đều. Đặc điểm này chỉ được báo cáo khi xem xét đến cản trở steric và lực đẩy điện, trong khi độ mạnh loại trừ điện môi cũng đáng được chú ý. Mục tiêu chính của công trình này là khảo sát ảnh hưởng của loại trừ điện môi đối với mối quan hệ giữa sự phân bố điện tích cố định và hiệu suất từ chối điện phân. Từ chối CaCl2 đã được tính toán như một hàm của các hằng số điện môi khác nhau bên trong lỗ mao dẫn cho các phân bố điện tích không đồng nhất khác nhau nhưng có mật độ điện tích trung bình giống nhau. Hành vi của điện trường và phân bố nồng độ ion bên trong lỗ nano phản ánh rằng sự biến đổi của hiệu ứng điện môi ảnh hưởng đến lực đẩy của các ion đồng hành, do đó hiệu suất từ chối điện phân đã bị thay đổi. Các mô phỏng được thực hiện trong công trình này bổ sung cho nghiên cứu lý thuyết về cơ chế tách lọc nano để hỗ trợ cho độ chính xác trong dự đoán hiệu suất từ chối và các kết quả thu được trong công trình này có lợi cho hiểu biết về phân bố điện tích cố định và hiệu ứng điện môi.

Từ khóa

#lọc nano #màng polyamide #phân bố điện tích cố định #từ chối điện phân #loại trừ điện môi

Tài liệu tham khảo

Abdel-Fatah MA (2018) Nanofiltration systems and applications in wastewater treatment: review article. Ain Shams Eng J in press. https://doi.org/10.1016/j.asej.2018.08.001 Balannec B, Ghoufi A, Szymczyk A (2018) Nanofiltration performance of conical and hourglass nanopores. J Membr Sci 552:336–340. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.02.026 Bandini S, Vezzani D (2003) Nanofiltration modeling: the role of dielectric exclusion in membrane characterization. Chem Eng Sci 58:3303–3326. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(03)00212-4 Bowen WR, Welfoot JS (2002) Modelling the performance of membrane nanofiltration - critical assessment and model development. Chem Eng Sci 57:1121–1137 Calvo JI, Hernández A, Prádanos P, Tejerina F (1996) Charge adsorption and zeta potential in cyclopore membrane. J Membr Sci 181:399–412 Déon S, Escoda A, Fievet P (2011) A transport model considering charge adsorption inside pores to describe salts rejection by nanofiltration membranes. Chem Eng Sci 66:2823–2832. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.03.043 Dolar D, Košutić K, Ašperger D (2012) Influence of adsorption of pharmaceuticals onto RO/NF membranes on their removal from water. Water Air Soil Pollut 224. https://doi.org/10.1007/s11270-012-1377-0 Fang J, Deng B (2014) Rejection and modeling of arsenate by nanofiltration: contributions of convection, diffusion and electromigration to arsenic transport. J Membr Sci 453:42–51. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.10.056 Freger V (2003) Nanoscale heterogeneity of polyamide membranes formed by interfacial polymerization. Langmuir 19:4791–4797 Freger V, Srebnik S (2003) Mathematical model of charge and density distributions in interfacial polymerization of thin films. J Appl Polym Sci 88:1162–1169. https://doi.org/10.1002/app.11716 Garcia-Aleman J, Dickson JM (2004) Mathematical modeling of nanofiltration membranes with mixed electrolyte solutions. J Membr Sci 235:1–13. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2003.11.023 Inurria A, Cay-Durgun P, Rice D, Zhang H, Seo D-K, Lind ML, Perreault F (2019) Polyamide thin-film nanocomposite membranes with graphene oxide nanosheets: balancing membrane performance and fouling propensity. Desalination 451:139–147. https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.07.004 Ji Y, Qian W, Yu Y, An Q, Liu L, Zhou Y (2017) Recent developments in nanofiltration membranes based on nanomaterials. Chin J Chem Eng 25:1639–1652. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2017.04.014 Kotrappanavar NS, Hussain AA, Abashar MEE, Al-Mutaz IS, Aminabhavi TM, Nadagouda MN (2011) Prediction of physical properties of nanofiltration membranes for neutral and charged solutes. Desalination. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.07.007 Labban O, Chong TH, Lienhard JHV (2018) Design and modeling of novel low-pressure nanofiltration hollow fiber modules for water softening and desalination pretreatment. Desalination 439:58–72. https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.04.002 Meschke K, Hansen N, Hofmann R, Haseneder R, Repke J-U (2018) Characterization and performance evaluation of polymeric nanofiltration membranes for the separation of strategic elements from aqueous solutions. J Membr Sci 546:246–257. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.09.067 Mohammad AW, Teow YH, Ang WL, Chung YT, Oatley-Radcliffe DL, Hilal N (2015) Nanofiltration membranes review: recent advances and future prospects. Desalination 356:226–254. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.10.043 Nielsen* DW, Jonsson G (1994) Bulk-phase criteria for negative ion rejection in nanofiltration of multicomponent salt solutions Separation. Sci Technol 29:1165–1182. https://doi.org/10.1080/01496399408005623 Oatley DL, Cassey B, Jones P, Bowen WR (2005) Modelling the performance of membrane nanofiltration - recovery of a high-value product from a process waste stream. Chem Eng Sci 60:1953–1964. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.12.007 Oatley DL, Llenas L, Perez R, Williams PM, Martinez-Llado X, Rovira M (2012) Review of the dielectric properties of nanofiltration membranes and verification of the single oriented layer approximation. Adv Colloid Interf Sci 173:1–11. https://doi.org/10.1016/j.cis.2012.02.001 Oatley DL, Llenas L, Aljohani NHM, Williams PM, Martínez-Lladó X, Rovira M, Pablo JD (2013) Investigation of the dielectric properties of nanofiltration membranes. Desalination 315:100–106. https://doi.org/10.1016/j.desal.2012.09.013 Ong CS, Lau WJ, Ismail AF (2012) Treatment of dyeing solution by NF membrane for decolorization and salt reduction. Desalin Water Treat 50:245–253. https://doi.org/10.1080/19443994.2012.719473 Pacheco FA, Pinnau I, Reinhard M, Leckie JO (2010) Characterization of isolated polyamide thin films of RO and NF membranes using novel TEM techniques. J Membr Sci 358:51–59. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2010.04.032 Petersen RJ (1993) Composite reverse osmosis and nanofiltration membranes. J Membr Sci 83:81–150 Reig M, Licon E, Gibert O, Yaroshchuk A, Cortina JL (2016) Rejection of ammonium and nitrate from sodium chloride solutions by nanofiltration: effect of dominant-salt concentration on the trace-ion rejection. Chem Eng J 303:401–408. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.06.025 Senapati S, Chandra A (2001) Dielectric constant of water confined in a nanocavity. J Phys Chem B 105:5106–5109 Silva V, Martín Á, Martínez F, Malfeito J, Prádanos P, Palacio L, Hernández A (2011) Electrical characterization of NF membranes. A modified model with charge variation along the pores. Chem Eng Sci 66:2898–2911. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.03.025 Silva V, Montalvillo M, Carmona FJ, Palacio L, Hernández A, Prádanos P (2016) Prediction of single salt rejection in nanofiltration membranes by independent measurements. Desalination 382:1–12. https://doi.org/10.1016/j.desal.2015.12.012 Szymczyk A, Fievet P (2005) Investigating transport properties of nanofiltration membranes by means of a steric, electric and dielectric exclusion model. J Membr Sci 252:77–88. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2004.12.002 Szymczyk A, Labbez C, Fievet P, Vidonne A, Foissy A, Pagetti J (2003) Contribution of convection, diffusion and migration to electrolyte transport through nanofiltration membranes. Adv Colloid Interf Sci 103:77–94. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(02)00094-5 Szymczyk A, Zhu H, Balannec B (2010a) Ion rejection properties of nanopores with bipolar fixed charge distributions. J Phys Chem B 114:10143–10150 Szymczyk A, Zhu H, Balannec B (2010b) Ion rejection properties of nanopores with bipolar fixed charge distributions. J Phys Chem B 114:10143–10150 Szymczyk A, Zhu H, Balannec B (2010c) Pressure-driven ionic transport through nanochannels with inhomogenous charge distributions. Langmuir 26:1214–1220. https://doi.org/10.1021/la902355x Szymczyka A, Fatin-Rouge N, Fievet P, Ramseyer C, Vidonne A (2007) Identification of dielectric effects in nanofiltration of metallic salts. J Membr Sci 287:102–110. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2006.10.025 Tseng S, Lin SC, Lin CY, Hsu JP (2016) Influences of cone angle and surface charge density on the ion current rectification behavior of a conical nanopore. J Phys Chem C 120:25620–25627 Tsuru T, S-i N, Kimura S (1991) Calculation of ion rejection by extended Nernst–Planck equation with charged reverse osmosis membranes for single and mixed electrolyte solutions. J Chem Eng Jpn 24:511–517 Wadekar SS, Vidic RD (2018) Insights into the rejection of barium and strontium by nanofiltration membrane from experimental and modeling analysis. J Membr Sci 564:742–752. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.07.060 Wadekara SS, Vidic RD (2018) Insights into the rejection of barium and strontium by nanofiltration membrane from experimental and modeling analysis. J Membr Sci 564:742–752. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.07.060 Wang Z, Xiao K, Wang X-m (2018) Role of coexistence of negative and positive membrane surface charges in electrostatic effect for salt rejection by nanofiltration. Desalination 444:75–83. https://doi.org/10.1016/j.desal.2018.07.010 Wei X et al (2016) Removal of trace phthalate esters from water by thin-film composite nanofiltration hollow fiber membranes. Chem Eng J 292:382–388. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.02.037 Wei XZ, Gan ZQ, Shen YJ, Qiu ZL, Fang LF, Zhu BK (2019) Negatively-charged nanofiltration membrane and its hexavalent chromium removal performance. J Colloid Interface Sci 553:475–483. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.06.051 Yang L, Zhou J, She Q, Wan MP, Wang R, Chang VW, Tang CY (2017) Role of calcium ions on the removal of haloacetic acids from swimming pool water by nanofiltration: mechanisms and implications. Water Res 110:332–341. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.11.040 Yaroshchuk AE (2000) Dielectric exclusion of ions from membranes. Adv Colloid Interf Sci 85:193–230 Zhang Y, Wan Y, Pan G, Wei X, Li Y, Shi H, Liu Y (2019) Preparation of high performance polyamide membrane by surface modification method for desalination. J Membr Sci 573:11–20. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.11.068 Zhu H, Szymczyk A, Balannec B (2010) Influence of an inhomogeneous membrane charge density on the rejection of electrolytes by NF membranes entitled article. Desalin Water Treat 18:182–186. https://doi.org/10.5004/dwt.2010.1768 Zhu H, Szymczyk A, Balannec B (2011) On the salt rejection properties of nanofiltration polyamide membranes formed by interfacial polymerization. J Membr Sci 379:215–223. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.05.062