Die Umkehrosmose (RO) hat aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zur Entsalzung von Brack- und Meerwasser große Aufmerksamkeit erregt. Dünnschicht-Kompositmembranen (TFC) aus Polyamid (PA) für die Umkehrosmose, bestehend aus einer dichten Trennschicht und einer porösen Trägerschicht, sind die führenden Produkte auf diesem Gebiet. Die geringe Permeabilität von PA-RO-Membranen und die Verschmutzung von TFC-Umkehrosmosemembranen schränken jedoch deren breite Anwendung ein.
Die Synthese von Nanokompositmembranen hat sich als hervorragende Methode erwiesen, die Vorteile polymerer und anorganischer Nanomaterialien zu vereinen. Die natürlichen Eigenschaften von Umkehrosmosemembranen lassen sich durch gezielte Anpassung von Zusammensetzung und Struktur verbessern. Beispielsweise wurde Hydrotalcit (HT) in wässriger Lösung dispergiert und während der Grenzflächenpolymerisation in die PA-Matrix eingearbeitet, um Wassertransportkanäle zu erzeugen.
Die so hergestellten Membranen weisen eine hohe Permeabilitätsselektivität und einen erhöhten Wasserdurchfluss auf, ohne dass die Salzabweisung beeinträchtigt wird. Darüber hinaus hat sich die Membranmodifizierung, einschließlich der Einbettung von Nanopartikeln, Oberflächenbeschichtung und Pfropfung, als effektiver Ansatz zur Verhinderung von Biofouling erwiesen. Die Pfropfung von Antifouling-Wirkstoffen auf in die PA-Matrix eingebettete Nanopartikel ist dabei eine hervorragende Strategie, um Umkehrosmosemembranen Antifouling-Eigenschaften zu verleihen, ohne die PA-Matrix zu beschädigen.
Die HT-Nanopartikel sind reich an Hydroxylgruppen, die mit den Siloxygruppen von Silan-Haftvermittlern reagieren und so eine Antifouling-Pfropfung ermöglichen. Daher lässt sich eine neuartige TFC-Umkehrosmosemembran mit hoher Selektivität und Antifouling-Eigenschaften herstellen, indem HT-Nanopartikel als Dotierstoffe in der PA-Schicht verwendet und Antifouling-funktionelle Silan-Haftvermittler auf die Membranoberfläche aufgepfropft werden.
Prof. Wang Jian vom Institut für Entsalzung und Integrierte Meerwassernutzung, Prof. Ma Zhong von der Shandong Universität für Wissenschaft und Technologie, Dr. Tian Xinxia von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und ihre Teams haben sich, inspiriert von den Eigenschaften von HT-Nanopartikeln und Silan-Haftvermittlern mit quaternären Ammoniumsalzen, gemeinsam der Entwicklung einer neuen Umkehrosmosemembran mit langfristig stabiler, hoher Leistung gewidmet. Dies soll durch die gleichzeitige Verbesserung der Permeabilitätsselektivität und der Antifouling-Eigenschaften erreicht werden.
Ihre Arbeit verbesserte die Leistung von TFC-PA-Umkehrosmosemembranen deutlich und lieferte wertvolle technische Hinweise für die Zukunft der Meerwasserentsalzung. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Frontiers of Environmental Science & Engineering veröffentlicht.
In dieser Studie wurden Mg-Al-CO₃-HT-Nanopartikel durch Dispersion in einer organischen Lösung während der Grenzflächenpolymerisation in eine PA-Schicht eingearbeitet. Die HT-Nanopartikel erfüllen eine Doppelfunktion: Sie verbessern den Wasserdurchfluss und dienen gleichzeitig als Pfropfstellen. Durch die HT-Einarbeitung wurde der Wasserdurchfluss erhöht, ohne die Salzrückhaltung zu beeinträchtigen, wodurch die Verluste der nachfolgenden Pfropfreaktion kompensiert wurden. Die exponierte Oberfläche der HT-Nanopartikel dient als Pfropfstelle für das Antifouling-Mittel Dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammoniumchlorid (DMOT-PAC).
Die Kombination aus HT-Einbau und DMOTPAC-Pfropfung verleiht Umkehrosmosemembranen eine hohe Permeabilitätsselektivität und Antifouling-Eigenschaften. Der Wasserdurchfluss von PA-NT-0,06 betrug 49,8 l/m²·h und lag damit 16,4 % höher als der der Originalmembran. Der Rückhaltegrad von PA-HT-0,06 lag bei 99,1 % und war damit vergleichbar mit dem der Originalmembran. Bezüglich der Kontamination mit negativ geladenem Lysozym war die Rückgewinnung des wässrigen Flusses der modifizierten Membran höher als die der Originalmembran (z. B. 86,8 % für PA-HT-0,06 gegenüber 78,2 % für PA-Original). Die bakterizide Aktivität von PA-HT-0,06 gegen Escherichia coli und Bacillus subtilis betrug 97,3 % bzw. 98,7 %.
Diese Studie beschreibt erstmals die Bildung kovalenter Bindungen zwischen DMOTPAC und HT-Nanopartikeln in PA-Matrizen zur Herstellung von Umkehrosmosemembranen mit hoher Permeabilitätsselektivität und Antifouling-Eigenschaften. Der Einbau integrierter Nanopartikel und die Funktionalisierung ermöglichen die Entwicklung von Umkehrosmosemembranen mit hoher Permeabilitätsselektivität und Antifouling-Eigenschaften.
Weiterführende Informationen: Xinxia Tian et al., Preparation of a reverse osmosis membrane with high selectivity and anti-fouling properties for seawater desalination, Frontiers in Environmental Science and Engineering (2021). DOI: 10.1007/s11783-021-1497-0
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Veröffentlichungsdatum: 04.01.2023