高效节能纳滤膜在饮用水中处理实现高矿物/有机物选择性
高效节能纳滤膜在饮用水中处理实现高矿物/有机物选择性
本研究针对提高纳米过滤（NF）膜在生产高品质饮用水过程中的矿物/有机物选择性，实现了高通量的策略。通过控制界面聚合（IP）反应速率，在分子水平上定制NF膜的功能，同时调节多个膜属性。选用1,4-哌嗪二乙磺酸（PIPES）作为水相添加剂，利用PIPES与哌嗪（PIP）单体间的氢键作用、长程静电作用和空间位阻效应，以及降低溶液pH值，实现了IP反应速率的精确分子级调控。这种策略同时实现了多种膜属性的集成定制，如高亲水性、高表面电荷密度、均匀的孔径尺寸分布和粗糙度降低。
研究背景和意义
随着水环境恶化，饮用水资源日益短缺。NF技术以其高效分离能力和简单操作而受到关注。然而，NF膜在有效去除有机物的同时，也不可避免地去除了有益的无机盐离子，增加了有机-无机复合物的污染，导致处理能耗增加和成本上升。因此，实现NF膜的优异矿物/有机物选择性和抗污染性能对于饮用水生产至关重要。
研究方法
分子动力学（MD）模拟和计算流体动力学（CFD）模拟用于探索聚酰胺层结构和形态变化对渗透性能的影响。石英晶体微量天平（QCM）用于分析污染物在膜上的吸附机制。
膜制备过程：将不同浓度的PIPES和0.25 wt% PIP的水相溶液倾倒在经异丙醇处理的聚醚砜（PES）基底膜上，反应10分钟。干燥去除多余的水相溶液，再将含有0.1 wt% TMC的有机相溶液倾倒在基底表面，反应1分钟形成聚酰胺层。去除多余的有机相溶液，进行热固化处理，最终得到NF膜，并根据不同的PIPES添加量命名为PIPES-0至PIPES-1。
主要结果和结论
PIPES-0.75 NF膜在处理自然地表水时展现了高渗透性能和高矿物/有机物选择性。该膜显著减少了膜污染和结垢风险，同时降低了生产成本和能耗。通过调节PIPES含量，实现了膜孔径的精确控制，提高了水分子传输通道，降低了质量传递阻力，从而提高了渗透性。
详细机理
PIPES分子的存在降低了水相溶液的pH值，增加了负表面电荷，提高了亲水性，优化了膜的选择性渗透和抗污染性能。通过氢键、静电排斥和空间位阻作用减缓了PIP分子的扩散行为，从而抑制了IP反应速率，促进了更薄且更平滑的聚酰胺层的形成。增加的自由体积分数表明PIPES-0.75 NF膜形成了更多的水分子通道，提高了水的渗透性。
本文原文来自Desalination期刊，2024年8月在线发表，DOI号：10.1016/j.desal.2024.117970。