解读海水淡化聚酰胺复合反渗透膜的发展趋势与展望

http://www.water.hc360.com2018年01月04日10:13 来源:《膜科学与技术》T|T

从而引起额外的能量消耗和化学清洗,增加膜的生产和运行成本。据统计,膜的清洗所需费用占到膜应用总成本的30%。因此,抗污染聚酰胺复合反渗透膜的研发是淡化领域的一个重要研究方向。

    影响膜污染的因素主要有膜表面亲水性、膜表面电荷和膜表面粗糙度。膜表面亲水性是与其抗污染性能关系最密切的一个因素。污染物在膜的表面一般是疏水性沉积,因此膜表面的亲水性越好,通过氢键形成的水合作用会有效地抑制污染物的沉积,降低膜的污染。因此,通过提高膜表面亲水性的方法来提高其抗污染性能是目前开发抗污染膜的一个最主要的途径。另一个影响膜的抗污染性能的因素是膜的表面粗糙度。越粗糙的表面会给污染物的沉积提供更多的结合位,从而加重膜的污染。所以,膜表面越光滑,其抗污染性能越好。影响膜污染的另一个因素就是膜表面的电荷性,如果污染物表面的电荷与膜表面电荷相反,则会加重膜的污染;反之则相反。界面聚合制备的聚酰胺复合膜的表面会有大量的氨基和羧基的存在,当浸入到水中时就会赋予膜表面电荷性。研究已经证实聚酰胺复合膜的表面有大量的负电荷。负电荷性的表面单元可以作为活性结合位来结合表面涂层和纳米颗粒。这使得表面改性,如薄膜涂层、自组层、紫外或等离子体引发的聚合物接枝,成为最具有潜力的制备抗污染改性聚酰胺复合反渗透膜的一种方法。因为紫外或等离子体引发的聚合物接枝往往相对复杂,并且比较昂贵,所以能够很容易在膜表面形成一层亲水性涂层的表面涂覆技术,成为目前增强膜的亲水性从而进一步增强其抗污染性能的最常用和最有效的方法。

    多种不同类型的亲水性涂层已经被用来对聚酰胺复合膜表面进行改性以提高其亲水性能和抗污染性能。这类涂层主要有:聚乙二醇(PEG)类涂层如PEG改性聚氨酯、甲基丙烯酸甲酯-羟乙氧基甲基丙烯酸酯共聚物、聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺交联成的树枝状高分子等基于PEG的聚合物、多巴胺涂层、两性涂层和层层组装涂层等。陶氏的BW30FR和XFRLE系列东丽的TML系列和我国时代沃顿的FR、FURO系列,就是典型的抗污染聚酰胺复合反渗透膜的市场化产品。

    3、抗氯聚酰胺复合反渗透膜

    鉴于膜的污染会严重降低膜的性能,往往会在进水中加入活性氯来降低膜的污染,这也是目前应用最广泛的一种方法。但是,聚酰胺复合反渗透膜目前面临的一个最大的问题就是其活性层中的酰胺键的耐氯性非常差,在活性氯的攻击下很容易被分解,从而使得膜损坏,大大降低其分离性能。非常低浓度的活性氯就会导致聚酰胺膜的破坏。活性氯会通过3种途径破坏聚酰胺结构:聚酰胺基团水解成羧酸基团和氨;聚酰胺直接环氯化;聚酰胺首先发生氮化然后通过奥顿重排生成环氯化产物。因此,聚酰胺活性层的保护在反渗透膜使用过程中是非常重要的。一方面,可以通过严格控制进水的活性氯含量来降低膜的分解;另一方面,也是更重要的,就是开发具有抗氧化性能的新型聚酰胺复合反渗透膜。制备对活性氯敏感度相对较低的酰亚胺来代替酰胺是提高膜的抗氯性能的一个方法,但是膜的分离性能不是很理想。利用表面改性的方法在聚酰胺复合膜的表面制备抗氯性涂层是目前应用和研究最多的提高膜抗氧化性能的主要方法之一。例如,Kwon等在界面聚合完成后立即在膜表面进行原位开环聚合的方法在聚酰胺复合膜的表面合成了一种山梨糖醇缩水甘油酯涂层。经过改性的聚酰胺复合膜不仅亲水性有了明显的增加,水接触角从62°减小到了29°,更重要的是,膜的抗氯性能也有了明显的增强。

    表面涂覆改性虽然可以提高膜的抗氯性能,但是其抗氯机理一般是其作为牺牲层来阻断活性氯和聚酰胺膜的直接接触。这样带来的一个问题就是长时间运行后牺牲层也会被活性氯渐渐腐蚀掉,从而降低甚至消除其耐氯性能。所以,持久性耐氯涂层的研发或许是未来的一个关键点。

    4、结论和展望

    海水淡化虽然在近几十年有了飞速的发展,但是鉴于全球水资源危机的日益加剧,海水淡化产业还将会有更大的发展空间。所以,作为膜海水淡化的核心,聚酰胺复合反渗透膜的研发也必然会延续其重要性和热度。围绕低压低能耗、抗污染和抗氯性能的新型聚酰胺复合反渗透膜的开发,还将会是反渗透领域的一个重点和难点。

    聚酰胺复合反渗透膜的3层结构独立的特点为通过其微结构的调控来实现预期的目的提供了可能。目前大部分的研究都是集中在表面活性层,然而实际上,聚砜亚层的结构对膜的性能也有非常显著的影响。例如,聚砜亚层的亲水性、孔径分布、孔径大小等都直接影响聚酰胺活性层的结构,从而进一步影响膜性能。所以现在通过调控聚砜亚层的微结构来改善膜的性能也已经引起了人们的重视,并有了一些研究。

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责任编辑:童志威

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