Ein multinationales Forscherteam hat ein Verfahren entwickelt, das auf dem Erfolg aktueller Umkehrosmoseverfahren aufbaut, die Salz aus Meerwasser entfernen. Forscher unter der Leitung von Professor Heqing Jiang vom Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften veröffentlichten ihre Ergebnisse am 18. November 2022 in Nanoforschung.
Das Herzstück von Umkehrosmoseverfahren, die zur Entsalzung verwendet werden, ist ein Dünnfilmverbund, der als Polyamidmembran bezeichnet wird.
Die Polyamidmembran hat den Markt für Entsalzungsanwendungen dominiert, die dort eingesetzt werden, wo Frischwasser knapp ist, aber die Einführung nanoskaliger Strukturen könnte einen Technologiesprung darstellen – der in Teilen der Welt dringend benötigt wird, da sich die Frischwasserknappheit verschlimmert.
Die Frischwasserknappheit und Wasserverschmutzung, die durch das schnelle Bevölkerungswachstum und die industrielle Expansion verursacht werden, sind laut Jiang und seinen Co-Autoren, die aus Institutionen in Ägypten, Saudi-Arabien und China stammen, zu einem ernsten Problem geworden – alles Orte mit Taschen von Frischwasserknappheit.
Jiang und seine Kollegen führten die Schaffung einer multifunktionalen Kronenether-Zwischenschicht innerhalb einer Polyamidmembran durch, in der Hoffnung, dass dies die Trennleistung verbessern würde.
„Mit Hilfe der Kronenether-Zwischenschicht erhält die Polyamid-Membran mehr nanoskalige Strukturen auf der Membranoberfläche und eine nanoskalige Dicke, die der Verbesserung der Wasserleistung zuträglich sind, da ersteres die effektive Filtrationsfläche erhöht, während letzteres die Masse stark reduziert Übergangswiderstand“, sagte Jiang.
„Darüber hinaus können nanoskalige Poren in der Membran Hochgeschwindigkeitskanäle zur Förderung des Wassertransports bereitstellen. Die entwickelte Polyamidmembran zeigt eine überlegene Wasserdurchlässigkeit gegenüber der reinen Polyamidmembran, während sie eine vergleichbare Salzabweisung beibehält.“
Die Forschung erfolgt inmitten anderer Bemühungen zur Entwicklung von Mikrostrukturen, die der Polyamidmembran hinzugefügt werden können, um die Effizienz der Umkehrosmose zu steigern und einen höheren Trinkwasserdurchsatz pro gegebener Filtrationseinheit bereitzustellen.
In diesem Fall bereiteten die Forscher die Membran vor, indem sie Kronenether auf das mit einer wässrigen Aminlösung imprägnierte Substrat sprühten und dann weiter mit einer Trimesoylchlorid/Hexan-Lösung behandelten, um eine Polymerisationsreaktion zu erzeugen, die zu den resultierenden Nanostrukturen führte und die Wirksamkeit der Membran erheblich steigerte Oberfläche sowie eine deutliche Abnahme der Dicke.
„Die Neuheit dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Kronenether-Zwischenschicht-modulierten Polyamidmembran, die eine hervorragende Trennleistung zeigt und von der Konstruktion nanoskaliger Mikrostrukturen profitiert“, sagte Jiang.
„Die Kronenether-Zwischenschicht verringert nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit der Grenzflächenpolymerisation, sondern steuert auch die Reaktion auf engstem Raum, sodass eine ultradünne und gleichmäßige Polyamidschicht mit regelmäßigen nanoskaligen Strukturen gebildet wird. Die Trennleistung dieser Art von Membran ist besser als die native Polyamidmembran (unsere Kontrolle), was darauf hindeutet, dass der Aufbau einer Zwischenschicht eine bessere Strategie ist, um die Mikrostruktur und Leistung der Polyamidmembran zu modulieren.“
Mehrere Techniken wurden verwendet, um die Testmembranproben zu bewerten, einschließlich Infrarotspektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Jiang sagte, ein nächster Schritt in dieser Forschung sei die Untersuchung, ob diese positiven Ergebnisse wiederholbar und skalierbar sind, Informationen, die benötigt werden, um das Potenzial der Technologie für eine zukünftige kommerzielle Lebensfähigkeit zu bewerten.
„Membranbasierte Trenntechnologie ist für industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Trennung kleiner Moleküle/Ionen“, sagte er.
„Hochleistungsmembranen sind ein ständiges Streben, weil sie nicht nur die Trennqualität erhöhen, sondern auch die Trenneffizienz verbessern können. In Anbetracht der effizienten Modulation von Kronenether auf Mikrostrukturen von Polyamidmembranen und der herausragenden Verbesserung der Trennleistung werden wir dies untersuchen Machbarkeit einer großtechnischen Membranherstellung und Untersuchung des Einflusses von Kronenether auf die Trennleistung unter Verwendung von echtem Meerwasser als Feedlösung.“
„Es ist auch wichtig, die Anwendungen von Polyamidmembranen in der organischen Lösungsmitteltrennung, Gastrennung und anderen Trennverfahren zu erweitern.“
Mehr Informationen:
Yanyu Zhao et al, Kronenether-Zwischenschicht-modulierte Polyamidmembran mit nanoskaligen Strukturen für eine effiziente Entsalzung, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-5196-3
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press