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案例!3D打印聚酰胺膜用于脫鹽

魔猴君  創(chuàng)意空間   2169天前

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與其它的脫鹽膜相比,聚酰胺膜表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇滲透性,但有關(guān)膜性質(zhì)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(dǎo)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(yīng)過程在膜形成時自動終止);支撐層表面的性質(zhì),包括孔徑、孔隙、表面孔隙率、粗糙度和表面化學(xué)也影響兩相之間的界面,從而以不可預(yù)測的方式影響膜的性能。 

文章亮點:

1.使用電噴霧技術(shù)將單體直接沉積在支撐體上,反應(yīng)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(shù)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(cè)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(zhuǎn)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(shù)。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(zhuǎn)鼓上。當(dāng)單體溶液從針尖出現(xiàn)時,它們噴射并沉積在收集器表面上并在彼此接觸時發(fā)生反應(yīng)。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(lián)比重、厚度和機械性能等。印刷后,將薄膜從箔轉(zhuǎn)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(shù),包括每次掃描的相應(yīng)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(shù)的函數(shù)關(guān)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。基于五次掃描制備薄至20nm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(shù)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(zhì)上,以評價其厚度、表面形態(tài)、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(yīng)于通過AFM在圖D中的Al箔上捕獲的每個掃描數(shù)據(jù)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(shù))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(xù)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(shù)字表示濃度比或掃描次數(shù)。(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(shù)而增加。商業(yè)Dow SW30XLETFC RO膜在(C)和(D)中以虛線顯示用于基準(zhǔn)測試。 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Dow SW30XLE RO膜,與傳統(tǒng)聚酰胺薄膜的典型脊-谷狀形態(tài)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(jié)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(shù)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(chǎn)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(qū)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(zhì)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(shù)量級。商業(yè)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(zhǔn)測試。 

使用SW30XLETFC RO膜作為對照并用于基準(zhǔn)測試,可以發(fā)現(xiàn)六種膜具有更高的截留率和水滲透性,這些膜具有可調(diào)節(jié)的厚度和更低的粗糙度,也表現(xiàn)出相當(dāng)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(fù)合膜性能的關(guān)鍵性能,并且傳統(tǒng)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(shù),將單體直接沉積在支撐體上,反應(yīng)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(yè)基準(zhǔn)膜仍具有良好的選擇滲透性。這使我學(xué)習(xí)到了如何既能保持反滲透膜的預(yù)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(guī)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(fā)其他TFC膜用于其他分離。

文章來源:(南極熊)
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