選擇性膜用于水和廢水處理-先進(jìn)材料的作用
【無(wú)錫水處理設(shè)備http://www.yongxin1818.com】膜分離作為一種性能高、占地小、模塊化設(shè)計(jì)且容易自動(dòng)控制的技術(shù),在水處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?,F(xiàn)有的膜材料可以分為水透過(guò)型膜和溶質(zhì)透過(guò)型膜。其中,水透過(guò)性膜主要包括反滲透(RO)膜、正滲透(FO)膜、納濾(NF)膜、超濾(UF)膜和微濾(MF)膜,其主要基于尺寸位阻效應(yīng)或Donnan效應(yīng)截留水中尺寸相對(duì)較大的離子、分子和顆粒物等污染物(圖1);純水設(shè)備溶質(zhì)透過(guò)型膜主要包括離子交換膜(IEM)和液態(tài)膜(LM),其可在電場(chǎng)或濃差驅(qū)動(dòng)下基于“溶解-擴(kuò)散”模型實(shí)現(xiàn)對(duì)特定溶質(zhì)的分離;膜蒸餾(MD)技術(shù)則是基于不同物質(zhì)揮發(fā)性差異,實(shí)現(xiàn)水或者揮發(fā)性物質(zhì)的分離。然而,盡管現(xiàn)有的膜材料和膜過(guò)程能夠滿足大部分的應(yīng)用場(chǎng)景,它們大都存在“選擇比/通量悖論”。即,隨著目標(biāo)組分通量的提高,其目標(biāo)組分相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)性組分的選擇比急劇下降,造成了“選擇比/通量”上限邊界的存在(圖2)。低通量會(huì)直接造成運(yùn)行能耗的提高,而低選擇比則會(huì)降低產(chǎn)水水質(zhì),間接增加產(chǎn)生高品質(zhì)產(chǎn)物的運(yùn)行成本。因此,提高膜材料的選擇性和通透性具有重要意義。
先進(jìn)材料的發(fā)展提高了不同膜材料和膜過(guò)程對(duì)不同目標(biāo)組分(相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)性組分)的選擇性(表1)。其中,二維(2D)材料(如GO、TMD、Mxene)(圖3)和等孔徑材料(如多孔石墨烯、垂直排列CNT、MOF、COF、液晶聚合物)(圖4)可以用來(lái)制備具有層壓結(jié)構(gòu)或者等孔徑結(jié)構(gòu)的水透過(guò)型膜,基于空間位阻效應(yīng)和Donnan效應(yīng)以及RO或NF過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)水或小尺寸離子相對(duì)于大尺寸離子和分子的選擇性分離;離子交換膜涂層材料(如PSS、PAH、PEI、HACC等)和液態(tài)膜萃取劑(如LIX84-I、LIX64N、DEHPA、PC88A等)可用于制備高選擇性離子交換膜(IEM)或液態(tài)膜(LM)等溶質(zhì)透過(guò)型膜(圖5),在電場(chǎng)或濃差為驅(qū)動(dòng)下,基于“溶解-擴(kuò)散模型”原理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)離子或分子相對(duì)于水或其他競(jìng)爭(zhēng)性離子和分子的選擇性分離。在該類材料中純水設(shè)備,目標(biāo)離子或分子的尺寸可以小于、等于、甚至大于競(jìng)爭(zhēng)性離子、分子等污染物;仿生水通道(如水通道蛋白、大環(huán)化合物等)和離子通道(如KcsA、POF、CEA、PCH等)材料可以用于制備仿生膜,以實(shí)現(xiàn)水相對(duì)于離子、或者目標(biāo)離子相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)性離子的高選擇性、高通量分離(圖6)。本文對(duì)各類材料的種類、功能和潛力做了詳細(xì)的分析和討論。
此外,除了膜材料本身,分離過(guò)程的運(yùn)行條件也會(huì)影響系統(tǒng)整體的選擇性,比如膜兩側(cè)驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)度(如壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度、濃差強(qiáng)度、溫差等等)、透過(guò)側(cè)溶液組分(溶劑成分、溶質(zhì)濃度等)以及其他條件(如進(jìn)水pH、膜面流速、溫度、抗污染/結(jié)垢性能、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性等等)。當(dāng)前基于先進(jìn)材料制備高選擇性分離膜的研究還處在初級(jí)階段,純水設(shè)備其在實(shí)用化過(guò)程中仍然面臨巨大挑戰(zhàn):(i)缺乏可放大化的技術(shù)將納米級(jí)的先進(jìn)材料制備成大尺寸、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的膜材料;(ii)缺乏對(duì)部分膜分離過(guò)程(如IEM、仿生膜等)中不同組分傳質(zhì)機(jī)理的認(rèn)知;(iii)需要可獲得性高、成本低、綠色安全的先進(jìn)原材料。這些挑戰(zhàn)的解決將會(huì)帶來(lái)選擇性膜材料的重要突破,助力建設(shè)效果好、成本低、環(huán)境友好的未來(lái)水系統(tǒng)。純水設(shè)備,實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備, 無(wú)錫純水設(shè)備,無(wú)錫水處理設(shè)備,無(wú)錫去離子水設(shè)備, 醫(yī)用GMP純化水設(shè)備。 半導(dǎo)體超純水設(shè)備。
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