Cienkowarstwowa membrana kompozytowa
Cienkowarstwowe membrany kompozytowe ( TFC lub TFM ) to półprzepuszczalne membrany produkowane głównie do stosowania w systemach oczyszczania lub odsalania wody . Mają również zastosowanie w zastosowaniach chemicznych, takich jak baterie i ogniwa paliwowe . Membranę TFC można traktować jako sito molekularne zbudowane w postaci folii z dwóch lub więcej materiałów warstwowych.
Membrany TFC są powszechnie klasyfikowane jako membrany do nanofiltracji (NF) i odwróconej osmozy (RO). Oba typy są zwykle wykonane z cienkiej warstwy poliamidu (<200 nm) osadzonej na wierzchu porowatej warstwy polieterosulfonu lub polisulfonu (około 50 mikronów) na wierzchu włókniny arkusz podtrzymujący tkaninę. Konfiguracja trójwarstwowa zapewnia pożądane właściwości wysokiego odrzucania niepożądanych materiałów (takich jak sole), dużą szybkość filtracji i dobrą wytrzymałość mechaniczną. Poliamidowa warstwa wierzchnia jest odpowiedzialna za wysokie odrzucanie i jest wybierana przede wszystkim ze względu na przepuszczalność wody i względną nieprzepuszczalność różnych rozpuszczonych zanieczyszczeń, w tym jonów soli i innych małych, niefiltrowalnych cząsteczek .
Historia
Pierwsza żywotna membrana do odwróconej osmozy została wykonana z octanu celulozy jako asymetryczna półprzepuszczalna membrana z integralną powłoką. Membrana ta została wykonana przez Loeba i Sourirajana na UCLA w 1959 r. I opatentowana w 1960 r. W 1972 r. John Cadotte z North Star Technologies (później FilmTec Corporation ) opracował pierwszą cienkowarstwową membranę kompozytową (TFC) międzyfazową z poliamidu (IP). Obecna generacja materiałów membranowych do odwróconej osmozy (RO) oparta jest na materiale kompozytowym opatentowanym przez FilmTec Corporation w 1970 r. (obecnie część firmy DuPont ). Obecnie większość takich membran do odwróconej osmozy i nanofiltracji wykorzystuje poliamidową warstwę aktywną.
Struktura i materiały
Jak sugeruje nazwa, membrany TFC składają się z wielu warstw. Membrany przeznaczone do odsalania wykorzystują aktywną cienkowarstwową warstwę poliamidu z polisulfonem jako porowatą warstwę nośną.
Do produkcji membran TFC stosuje się również inne materiały, zazwyczaj zeolity .
Aplikacje
Cienkowarstwowe membrany kompozytowe są stosowane m.in
- Oczyszczanie wody;
- jako bufor do reakcji chemicznych (baterie i ogniwa paliwowe);
- w przemysłowej separacji gazów.
Ograniczenia
Cienkowarstwowe membrany kompozytowe zazwyczaj cierpią z powodu efektu zagęszczania pod ciśnieniem. Wraz ze wzrostem ciśnienia wody polimery są nieco reorganizowane w ściślej dopasowaną strukturę, co skutkuje mniejszą porowatością, ostatecznie ograniczając wydajność systemu zaprojektowanego do ich wykorzystania. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe ciśnienie, tym większe zagęszczenie.
Zanieczyszczenia powierzchni: Cząstki koloidalne, inwazja bakterii (biofouling).
Rozkład chemiczny i utlenianie.
Wydajność
Wydajność membrany filtracyjnej jest oceniana na podstawie selektywności, odporności chemicznej, roboczej różnicy ciśnień i natężenia przepływu czystej wody na jednostkę powierzchni.
Ze względu na znaczenie przepustowości membrana jest produkowana tak cienko, jak to tylko możliwe. Te cienkie warstwy wprowadzają defekty, które mogą wpływać na selektywność, więc projekt systemu zwykle polega na zamianie pożądanej przepustowości na selektywność i ciśnienie operacyjne.
W zastosowaniach innych niż filtracja mogą dominować parametry takie jak wytrzymałość mechaniczna, stabilność temperaturowa i przewodność elektryczna.
Aktywne obszary badawcze
Membrany nanokompozytowe (TFN). Kluczowe punkty: wiele warstw, wiele materiałów.
Łagodzenie zanieczyszczania membrany
Nowe materiały, syntetyczne zeolity itp. w celu uzyskania wyższej wydajności.
Firma NanoH2O Inc. wprowadziła na rynek membranę, w której zsyntetyzowano nanocząsteczki zeolitu i osadzono je w membranie RO, tworząc nanokompozyt cienkowarstwowy (TFN), który okazał się o ponad 50-100% bardziej przepuszczalny w porównaniu z konwencjonalnymi membranami RO, zachowując przy tym ten sam poziom odrzucania soli.
Ogniwa paliwowe.
Baterie.