לאחרונה, חוקרים סיניים ואמריקאים עשו התקדמות חשובה בכיוון המחקר של טיפול בממברנות אוסמוזה הפוכה. הם פיתחו חומר ממברנה חדש-חומר ממברנה פוליאסטר (DHMBA), בעל סיכויי יישום רחבים בהתפלת מי ים, טיהור שפכים עירוניים ותחומים אחרים.
הישג זה פורסם לאחרונה ב-Science. הישג זה הושלם במשותף על ידי פרופסור ג'אנג שואן מאוניברסיטת נאנג'ינג למדע וטכנולוגיה, הצוות של הואו מינגשין ו-ואנג שיאנצה מבית הספר לאיכות הסביבה של אוניברסיטת צפון מזרח נורמלית ופרופסור מנחם אלימלך (אוניברסיטת ייל), אקדמאי של האקדמיה האמריקאית להנדסה .
"קרום פוליאסטר" מאתגר את "קרום פוליאמיד"
בתור הטכנולוגיה היחידה שיכולה לממש את תוספת הקוד הפתוח של משאבי מים מתוקים מהמקור, התפלת מי ים היא הבחירה הראשונה לפתור את בעיית המחסור העולמית במים וחלק חשוב בעיצוב מחדש של תוכנית "ביטחון המים" של ארצי.
נכון להיום, סוג ממברנת התפלת מי הים המסחרית המסחרית היא סרט פוליאמיד מרוכב (TFC-PA), שביניהם תופסים המוצרים של דופונט, אנרגיה הידראולית, טוראי וחברות אחרות בארצות הברית את הרוב המכריע של נתח השוק העולמי.
ממברנות מרוכבות של סרט דק אוסמוזה הפוכה היו טכנולוגיית תקן הזהב להתפלה וטיהור מים במשך כמעט חצי מאה. ממברנות אוסמוזה הפוכה (TFC-RO) מרוכבות מפוליאמיד הפכו לטכנולוגיה המועדפת להתפלה ושימוש חוזר בשפכים בשל יעילות ההפרדה המצוינת שלהן.
ממברנות אלו מוכנות על ידי פילמור ממשק, אשר מביא למשטח מחוספס הרגיש לספיגה של מזהמים. למרות שחומרי החמצון יכולים להפחית את הזיהום הביולוגי, ממברנות פוליאמיד נפגעות בקלות בנוכחות כלור.
לכן, טיפול במים תעשייתי מצריך שלבי טיפול מקדים יקרים כגון קרישה, הוספת חומרים נוגדי זיהום, חיטוי וניקוי כלור להגנה על הממברנות. למרות שצצו לאחרונה ממברנות עמידות בפני עכירות ועמידות לכלור, ביצועי ההתפלה שלהן נחותים מאלו של ממברנות פוליאמיד.
מקרה מיוחד הוא שכבה סלקטיבית של פוליאסטר שנוצרה על מצע PES, המציגה עמידות טובה לכלור ויכולת התפלה, אך רגישה להידרוליזה מעל pH 8.0. פיתוח של ממברנות קשוחות שיכולות להימנע מטיפול מקדים יקטין משמעותית את עלויות ההתפלה וההשפעות הסביבתיות.
על מנת לפתור את הבעיות הללו, צוות המחקר של פרופסור ג'אנג שואן ב-NUST החל לפרוס חדשנות חומרית בתחום ממברנות אוסמוזה הפוכה בשנת 2014 וביצע מספר רב של מחקרים בסיסיים יישומיים. הם גם התמקדו במערכת חומרי ממברנות הפרדת פוליאסטר והמשיכו לבצע יצירה מבנית וחדשנות טכנולוגית.
לבסוף, החוקרים תכננו ממברנת אוסמוזה הפוכה מורכבת מסרט פוליאסטר (DHMBA) עם חדירות מים חזקה, עמידות גבוהה בפני נתרן כלורי ובורון ועמידות מלאה לכלור. בהשוואה לממברנות פוליאמיד, משטח הממברנה החלק במיוחד, בעל אנרגיה נמוכה, יכול גם למנוע התכלות ואבנית מינרלים.
ממברנות אלו מספקות דרך לצמצם במידה ניכרת את שלבי הטיפול המקדים של התפלת מי ים על ידי אופטימיזציה נוספת של סלקטיביות מים-מלח, ובכך מהווה אתגר הולך וגובר לממברנות הפוליאמיד.
בנוסף, ממברנת אוסמוזה הפוכה DHMBA פוליאסטר עוקבת אחר תהליך הייצור של ממברנות מסחריות קיימות, מה שמשפר את ההיתכנות של ייצור בקנה מידה גדול, המהווה אבן דרך בהתפתחות תעשיית האוסמוזה ההפוכה.
מהן התכונות המשופרות של חומר הממברנה החדש?
1. ביצועי התפלה
החוקרים אפיינו את קרום ה-DHMBA המוכן ואישרו כי פני השטח שלו היו נקיים מפגמים ובעלת צפיפות צולבות של יותר מ-92%, דבר המעיד על היווצרות מבנה פוליאסטר יציב.
תצפיות במיקרוסקופ אלקטרוני סריקת ותצפיות במיקרוסקופ כוח אטומי הראו שמשטח הממברנה היה חלק ופחות מחוספס ממברנות פוליאמיד מסורתיות.
בדיקת אטום וטכניקות אחרות אישרו עוד יותר את האחידות והעובי המתאים של הממברנה. בהשוואה לממברנות מסחריות בשוק, ממברנת ה-DHMBA תפקדה טוב יותר בביצועי התפלה, במיוחד במונחים של דחיית מלח ושטף מים.
בנוסף, הוא פעל טוב יותר מהטכנולוגיות הנוכחיות בהסרת בורון, והראה את היכולת לשמור על שיעורי הסרה גבוהים בתנאים שונים, אשר עשויים להיות קשורים למאפיינים הכימיים והמטען הייחודיים שלו.
2. יציבות כלור ממברנה
החוקרים בדקו גם את יציבות הכלור של ממברנות DHMBA ו-SW30. בהתאם למחקרים קודמים, הביצועים של ממברנות מבוססות פוליאמיד של SW30 הידרדרו במהירות כאשר נחשפו לכלור פעיל בכל תנאי ה-pH, במיוחד בתנאים חומציים עקב קורוזיה ישירה של מיני HOCl.
לעומת זאת, קרום ה-DHMBA הראה תכונות נוגדות חמצון מצוינות מכיוון שהתחליפים במיקומים ספציפיים במבנה שלו מנעו תגובות הכלור ישירות.
במיוחד בתנאים חומציים של pH 0, ממברנת DHMBA שמרה על ביצועי התפלה יציבים, וחישובי DFT ותוצאות XPS תמכו במסקנה זו, מה שמצביע על עמידותה לתגובות החלפה ארומטיות.
בתנאי pH ניטרלי, ממברנת ה-DHMBA יכולה לשמור על יציבות בבדיקות של עד 2000 שעות, ויכולה לעמוד בריכוזים גבוהים במיוחד של חשיפה לכלור חופשי אפילו בערכי pH של עד 9.0, מה שמוכיח את העמידות המצוינת שלו לאלקלי. .
3. ממברנה נגד זיהום
החוקרים השוו את היכולת של ממברנות פוליאסטר וממברנות SW30 לטפל במזהמים אנאורגניים (מינרליים) ואורגניים.
כאשר נבדק עם מודלים של פתרונות גבס ומי ים מדומים, שטף המים של ממברנת SW30 על בסיס פוליאמיד ירד במהירות, בעוד שביצועי ממברנת הפוליאסטר נותרו ללא שינוי במהלך 24 שעות הפעולה.
באמצעות תצפית במיקרוסקופ אלקטרוני סורקת, ניתן לראות כי פני השטח של קרום DHMBA נשארים כמעט במצבו הראשוניים לאחר בדיקת התפלת מי ים, בעוד גבישים או אגרגטים נוצרים על פני הממברנה של SW30.
באופן דומה, בעת טיפול בתמלחות המכילות מזהמים אורגניים מדומים כגון נתרן אלגינט וחומצה הומית, קרום DHMBA הראה ירידה מינימלית בשטף המים בהשוואה לממברנת SW30. תמונות FE-SEM חשפו פחות הצטברות עכירות על פני ממברנת DHMBA בהשוואה לעוגת הסינון העבה והצפופה שנוצרה על פני הממברנה SW30.
יכולות נוגדות עכירות ואנטי הידבקות אלה של ממברנת DHMBA עשויות להיות מיוחסות לתכונות המשטח החלקות במיוחד שלה, צריכת אנרגיה נמוכה וטעינה נמוכה.
בבדיקות מי ים אמיתיות ותנאי טיפול רגילים בכלור, קרום DHMBA הראה יציבות מצוינת, עם ירידה של 2% בלבד בשטף המים לאחר 15 יום, מה שהדגיש את הפוטנציאל שלה ליישומים בעולם האמיתי.
