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案例!3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

魔猴君  創意空間   1340天前

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與其它的脫鹽膜相比,聚酰胺膜表現出優異的選擇滲透性,但有關膜性質的一些特征和膜制造過程卻是有局限的。長期以來,膜的粗糙度導致反滲透和納濾過程的高污染;膜的厚度影響水通量,且厚度是沒有辦法精確控制的,(這是因為界面聚合反應過程在膜形成時自動終止);支撐層表面的性質,包括孔徑、孔隙、表面孔隙率、粗糙度和表面化學也影響兩相之間的界面,從而以不可預測的方式影響膜的性能。 

文章亮點:

1.使用電噴霧技術將單體直接沉積在支撐體上,反應形成聚酰胺。小的液滴尺寸加上低的單體濃度使得聚酰胺薄膜更光滑和更薄。 

2.使用電噴霧技術方法可以控制膜的厚度和粗糙度,厚度可控制到4nm增量,粗糙度低至2nm。 圖文快解:

3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

(A)電噴霧過程示意圖的側視圖。(B)俯視示意圖示出了針和臺組件,其可以“水平”移動以在旋轉的鼓上形成均勻的涂層。橫跨支撐層的單次掃描表示為單次掃描。(C)一種獨立的聚酰胺薄膜,空氣中的尺寸為1.1 mm,以及SEM的橫截面。
膜制備方法采用電噴霧技術。鼓通過高壓直流電源接地并連接到兩根針,針尖和鼓之間的距離保持在2-3cm。每根針在溶液中擠出一種單體。在每種情況下,首先將基板連接到旋轉鼓上。當單體溶液從針尖出現時,它們噴射并沉積在收集器表面上并在彼此接觸時發生反應。為了確保覆蓋整個基板,針臺沿著收集器表面移動。 將膜印刷在鋁箔上,以表征聚酰胺膜交聯比重、厚度和機械性能等。印刷后,將薄膜從箔轉移到任何基材上或保持為獨立的薄膜。

3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

(D)聚酰胺厚度作為MPD和TMC負載的函數,包括每次掃描的相應厚度。(E)聚酰胺厚度與MPD:TMC濃度比為0.125:0.075時的掃描次數的函數關系。
較低的單體濃度不僅得到了較薄的聚酰胺薄膜,并且還可以更好地控制每次掃描的薄膜厚度?;谖宕螔呙柚苽浔≈?0nm的聚酰胺薄膜,表明每次掃描的平均厚度僅為4nm。每次掃描的厚度一致,隨著掃描次數的增加,膜厚度呈線性增加。

3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

(F)PAN50,(G)PS20和(H)和(I) PAN450 TFC膜的橫截面TEM,用5次掃描和MPD:TMC濃度比為0.5:0.3制成。
將相同組成的膜印刷到多孔聚合物基質上,以評價其厚度、表面形態、粗糙度、脫鹽性能。印刷在三個UF膜基底上的聚酰胺層顯示出與印刷在Al箔上相似的厚度。從圖I可見五層聚酰胺薄膜,每層15±3nm。每次掃描的厚度很好地對應于通過AFM在圖D中的Al箔上捕獲的每個掃描數據的厚度。

3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

(A)對于不同濃度的MPD和TMC,在100000×(放大倍數)下的TFC膜SEM圖像。下面的底物和Dow SW30XLE膜顯示為對照。(B)一系列3×3mm AFM形 貌圖像顯示MPD:TMC濃度比增加的表面粗糙度,或者與5次掃描一致(頂部)或者由于連續掃描特定的MPD:TMC濃度比為0.5:0.3(下)。第一列僅顯示支撐層,沒有任何聚酰胺薄膜用于比較。插入數字表示濃度比或掃描次數。(C)顯示通過使用三種不同的UF膜作為一系列MPD:TMC濃度比的底物的TFC膜的RMS表面粗糙度的圖。圖中的第一點僅表示支撐層的粗糙度。(D)表面粗糙度隨著PS20 TFC膜的三種不同MPD:TMC濃度比的掃描次數而增加。商業Dow SW30XLETFC RO膜在(C)和(D)中以虛線顯示用于基準測試。 工業標準的Dow SW30XLE RO膜,與傳統聚酰胺薄膜的典型脊-谷狀形態相比,在所有單體濃度下,在所有支撐層上形成明顯更光滑的聚酰胺薄膜。這些結果通過AFM分析來量化,RMS粗糙度隨著單體濃度的增加和掃描次數而增加。對于每種單體濃度,在所有支撐層中膜的粗糙度相似。在最高MPD:TMC濃度,0.5:0.3條件下,最大粗糙度為40±4 nm,然而,即使這些最粗糙的薄膜也不到Dow SW30XLE薄膜粗糙度的一半。但最低單體濃度產生的粗糙度值小于2nm的薄膜與支撐體的粗糙度沒有辦法區分。

3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

(A)所有研究的膜的NaCl鹽截留和純水滲透性。(B和C)UF基質之間的純水滲透性和NaCl鹽截留的比較分別對于通過5次掃描制備的TFC膜,MPD和TMC負載增加~1個數量級。商業Dow SW30XLE TFCRO膜在(B)和(C)中顯示為虛線,在(A)中顯示為橙色星點用于基準測試。 

使用SW30XLETFC RO膜作為對照并用于基準測試,可以發現六種膜具有更高的截留率和水滲透性,這些膜具有可調節的厚度和更低的粗糙度,也表現出相當好的性能。除此之外,較高濃度的單體可以形成較厚的和較低滲透性的薄膜,改善脫鹽率。 

感悟: 本文針對聚酰胺的厚度和粗糙度是影響反滲透薄膜復合膜性能的關鍵性能,并且傳統的形成方法缺乏高分辨率或高精度獨立控制這些問題,提出了電噴霧技術,將單體直接沉積在支撐體上,反應形成聚酰胺。該方法可以控制厚度和粗糙度,厚度可控制到4nm增量,粗糙度低至2nm,同時相對于商業基準膜仍具有良好的選擇滲透性。這使我學習到了如何既能保持反滲透膜的預期選擇性,也可控制TFC膜的厚度和粗糙度。除此之外通過將聚酰胺形成與支撐層分離,能夠在非常規支撐層上形成TFC,并允許進行薄膜表征。這種方法也適用于溶化在溶劑中的其他單體或甚至簡單的聚合物,可以開發其他TFC膜用于其他分離。

文章來源:(南極熊)
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