Son zamanlarda, Çinli ve Amerikalı araştırmacılar ters ozmoz membran su arıtımının araştırma yönünde önemli ilerlemeler kaydettiler. Deniz suyu tuzdan arındırma, belediye atık su arıtımı ve diğer alanlarda geniş uygulama beklentileri olan yeni bir membran malzemesi - polyester membran malzemesi (DHMBA) geliştirdiler.
Bu başarı yakın zamanda Science dergisinde yayımlandı. Bu başarı, Nanjing Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Zhang Xuan, Kuzeydoğu Normal Üniversitesi Çevre Okulu'ndan Huo Mingxin ve Wang Xianze'nin ekibi ve Amerikan Mühendislik Akademisi akademisyeni Profesör Menachem Elimelech (Yale Üniversitesi) tarafından ortaklaşa tamamlandı.
"Polyester membran" "poliamid membran"a meydan okuyor
Tatlı su kaynaklarının kaynağından açık kaynak artışını gerçekleştirebilen tek teknoloji olarak deniz suyunun tuzdan arındırılması, küresel su kıtlığı sorununu çözmek için ilk tercihtir ve ülkemin "su güvenliği" planını yeniden şekillendirmenin önemli bir parçasıdır.
Günümüzde ticari deniz suyu arıtma membranlarında ana akım türü kompozit poliamid film (TFC-PA) olup, bunlar arasında DuPont, Hydraulic Energy, Toray ve ABD'deki diğer şirketlerin ürünleri küresel pazar payının büyük çoğunluğunu oluşturmaktadır.
İnce film kompozit ters ozmoz membranları, yaklaşık yarım yüzyıldır tuzdan arındırma ve su arıtma için altın standart teknolojisi olmuştur. Poliamid ince film kompozit ters ozmoz (TFC-RO) membranları, mükemmel ayırma verimliliği nedeniyle tuzdan arındırma ve atık su yeniden kullanımı için tercih edilen teknoloji haline gelmiştir.
Bu membranlar, kirleticilerin adsorpsiyonuna duyarlı pürüzlü bir yüzeyle sonuçlanan arayüz polimerizasyonu ile hazırlanır. Oksidanlar biyolojik kirlenmeyi azaltabilse de, poliamid membranlar klor varlığında kolayca hasar görür.
Bu nedenle, endüstriyel su arıtımı, membranları korumak için koagülasyon, antifouling ajanlarının eklenmesi, dezenfeksiyon ve klor giderme gibi pahalı ön arıtma adımları gerektirir. Kirlenmeye dayanıklı ve klora dayanıklı membranlar yakın zamanda ortaya çıkmış olsa da, bunların tuzdan arındırma performansı poliamid membranlarınkinden daha düşüktür.
Özel bir durum, iyi klor direnci ve tuzdan arındırma kapasitesi gösteren ancak pH 8'in üzerinde hidrolize duyarlı olan bir PES substratı üzerinde oluşturulan polyester seçici bir tabakadır.0. Ön işlemden kaçınabilen sert membranların geliştirilmesi, tuzdan arındırma maliyetlerini ve çevresel etkileri önemli ölçüde azaltacaktır.
Bu sorunları çözmek için, NUST'taki Profesör Zhang Xuan'ın araştırma ekibi 2014 yılında ters ozmoz membranları alanında malzeme inovasyonu ortaya koymaya başladı ve çok sayıda uygulamalı temel araştırma gerçekleştirdi. Ayrıca polyester ayırma membran malzeme sistemine odaklandılar ve yapısal yaratım ve teknolojik inovasyon yapmaya devam ettiler.
Son olarak araştırmacılar, güçlü su geçirgenliğine, sodyum klorür ve bora karşı yüksek dirence ve tam klor direncine sahip bir polyester film kompozit ters ozmoz membranı (DHMBA) tasarladılar. Poliamid membranlarla karşılaştırıldığında, ultra pürüzsüz, düşük enerjili membran yüzeyi kirlenmeyi ve mineral ölçeklenmesini de önleyebilir.
Bu membranlar, su-tuz seçiciliğini daha da iyileştirerek deniz suyunun tuzdan arındırılmasında ön işlem adımlarını büyük ölçüde azaltmanın bir yolunu sunar ve böylece poliamid membranlar için giderek artan bir zorluk oluşturur.
Ayrıca, DHMBA polyester ters ozmoz membranı mevcut ticari membranların üretim sürecini takip ederek, büyük ölçekli üretimin uygulanabilirliğini artırıyor ve bu da ters ozmoz sektörünün gelişiminde bir dönüm noktası teşkil ediyor.
Yeni membran malzemesinin geliştirilmiş özellikleri nelerdir?
1. Tuzdan arındırma performansı
Araştırmacılar hazırlanan DHMBA membranını karakterize ederek yüzeyinin kusursuz olduğunu ve çapraz bağlama yoğunluğunun %92’den fazla olduğunu, bunun da kararlı bir polyester yapı oluştuğunu gösterdiğini doğruladılar.
Taramalı elektron mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu gözlemleri, membran yüzeyinin geleneksel poliamid membranlara göre daha pürüzsüz ve daha az pürüzlü olduğunu göstermiştir.
Atom probu ve diğer teknikler, membranın düzgünlüğünü ve uygun kalınlığını daha da doğruladı. Piyasadaki ticari membranlarla karşılaştırıldığında, DHMBA membranı tuz giderme performansında, özellikle tuz reddi ve su akışı açısından daha iyi performans gösterdi.
Ayrıca, borun giderilmesinde mevcut teknolojilerden daha iyi performans göstererek, farklı koşullar altında yüksek giderim oranlarını koruyabilme yeteneğini göstermiştir; bu durum, onun benzersiz kimyasal ve yük özellikleriyle ilişkili olabilir.
2. Membran klor kararlılığı
Araştırmacılar ayrıca DHMBA ve SW30 membranlarının klor kararlılığını da test ettiler. Önceki çalışmalarla tutarlı olarak, SW30'un poliamid bazlı membranlarının performansı, özellikle HOCl türlerinin doğrudan korozyonu nedeniyle asidik koşullar altında, tüm pH koşullarında aktif klora maruz kaldığında hızla bozuldu.
Buna karşılık DHMBA membranı, yapısındaki belirli pozisyonlarda bulunan ikame edicilerin doğrudan klorlama reaksiyonlarını engellemesi nedeniyle mükemmel antioksidan özellikler göstermiştir.
Özellikle pH 0 asidik koşullarında, DHMBA membranı stabil tuzdan arındırma performansını korumuş ve DFT hesaplamaları ile XPS sonuçları da bu sonucu destekleyerek, membranın aromatik ikame reaksiyonlarına karşı direncini göstermiştir.
Nötr pH koşullarında, DHMBA membranı 2000 saate kadar testlerde stabilitesini koruyabilmekte ve 9.0 kadar yüksek pH değerlerinde bile son derece yüksek serbest klor konsantrasyonlarına maruz kalmaya dayanabilmekte ve mükemmel alkali direncini ortaya koymaktadır.
3. Membran kirlenme önleyici
Araştırmacılar, polyester membranlar ile SW30 membranların inorganik (mineral) ve organik kirleticileri arıtma yeteneklerini karşılaştırdılar.
Model alçı çözeltileri ve simüle edilmiş deniz suyu ile test edildiğinde, poliamid esaslı SW30 membranın su akısı hızla düşerken, polyester membranın performansı 24 saatlik çalışma boyunca temelde değişmeden kaldı.
Taramalı elektron mikroskobu ile yapılan incelemede, DHMBA membran yüzeyinin deniz suyu arıtma testi sonrasında neredeyse ilk haline yakın kaldığı, SW30 membran yüzeyinde ise kristal veya agregaların oluştuğu görülmektedir.
Benzer şekilde, sodyum aljinat ve humik asit gibi simüle edilmiş organik kirleticiler içeren tuzlu suların işlenmesinde, DHMBA membranı, SW30 membranına kıyasla su akışında minimal azalma gösterdi. FE-SEM görüntüleri, SW30 membran yüzeyinde oluşan kalın ve yoğun filtre kekine kıyasla DHMBA membran yüzeyinde daha az kirlenme birikimi olduğunu ortaya koydu.
DHMBA membranının bu kirlenme önleyici ve yapışma önleyici özellikleri, ultra pürüzsüz, düşük enerjili ve düşük yüklü yüzey özelliklerine bağlanabilir.
Gerçek deniz suyu testleri ve düzenli klor arıtma koşulları altında, DHMBA membranı 15 gün sonra su akışında yalnızca %2'lik bir azalma ile mükemmel bir kararlılık gösterdi ve bu da gerçek dünya uygulamaları için potansiyelini vurguladı.