[論文レビュー] Fouling in thin film nanocomposite membranes for power generation through pressure retarded osmosis

Arvin Shadravan, Mahmood Amani+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2021

Membrane Separation Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ナノ材料の統合により親水性が向上した薄膜ナノコンposite（TFN）膜を開発し、圧力促進浸透（PRO）における膜汚染耐性および浸透圧エネルギー発電を向上させることを目的としている。TFN膜は、最適化された多孔構造と表面の親水性のおかげで、従来のTFC膜と比較して高い透水フラックスと優れた汚染耐性を示し、持続可能な塩分勾配エネルギー回収の可能性を示している。

ABSTRACT

Osmotic energy (or salinity-gradient energy) is the energy released when water with different salinities is mixed, such as rivers and oceans. By employing a semipermeable membrane to control the mixing process, the osmotic pressure gradient energy can be generated in terms of electrical power via pressure retarded osmosis (PRO) without causing adverse environmental impacts. This work presents the fabrication of thin film nanocomposite (TFN) membranes which are customized to offer high flux in forward osmosis (FO) and high osmotic power in PRO. In this study, the TFN membrane was fabricated by forming a polyamide thin film on the polysulfone substrate through the interfacial polymerization process. One of the challenges in this process is the fouling of PRO membranes. Fouling is one of the major characteristics that results in the decline in the water flux of the membrane. The hydraulic pressure during PRO processes is less than RO processes so membranes that are used for PRO are less likely to foul. Experiments show that TFN membranes are more tolerant of fouling than TFC membranes because of the nanomaterials which has higher surface hydrophilicity. The structure of the membrane is a very significant characteristic that has an influence on fouling. Especially, the structure of porosity that is coherent to the thickness.

研究の動機と目的

• 圧力促進浸透（PRO）における浸透圧エネルギー発電のための性能向上を図る、薄膜ナノコンポジット（TFN）膜の開発。
• PROにおける主要な制限要因である膜汚染を、ナノ材料の導入による表面親水性の向上によって低減すること。
• 膜構造、特に多孔率および厚さが汚染挙動およびフラックス性能に与える影響を調査すること。
• PRO運転条件下におけるTFN膜と従来のTFC膜の汚染耐性を比較すること。

提案手法

• ポリスルホン基材上でのポリアミドの界面付加重合によりTFN膜を調製し、親水性を向上させるためにナノ材料を組み込む。
• 膜マトリックス内にナノ材料を用いて表面特性を改善し、汚染の可能性を低減する。
• 構造的特徴（多孔率および厚さなど）と性能の相関関係を特定するため、膜構造の特性評価。
• PRO条件下での水フラックスおよび汚染耐性を評価し、TFN膜とTFC膜を比較する。
• 水力的圧力が汚染に与える影響を評価し、ROと比較してPROにおける低圧力が汚染の深刻さを軽減することを確認する。
• 表面親水性が汚染耐性向上に与える主な要因として分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TFN膜へのナノ材料統合が、PROプロセスにおける汚染耐性にどのように影響するか？
• RQ2 膜の多孔率および厚さが、PROにおける汚染および水フラックスに与える影響は何か？
• RQ3 TFN膜の表面親水性は、TFC膜と比較して汚染低減にどの程度寄与するか？
• RQ4 ROシステムと比較して、PROにおける低水力的圧力が汚染をどの程度軽減するか？
• RQ5 TFN膜のどの構造的および材料的特徴が、より高い浸透圧エネルギー発電および良好なフラックス保持を実現するか？

主な発見

• ナノ材料による表面親水性の向上のおかげで、TFN膜は従来のTFC膜と比較して高い水フラックスと向上した浸透圧エネルギー発電性能を示している。
• ナノ材料の導入により、膜表面の親水性が顕著に向上し、汚染物質の付着が減少し、汚染耐性が向上した。
• TFN膜はTFC膜と比較して、最適化された多孔構造と親水性表面特性のおかげで、より高い汚染耐性を示した。
• 膜構造、特に多孔率と厚さの整合性が、汚染挙動およびフラックス性能を決定づける重要な要因である。
• PROプロセスにおける低水力的圧力は、汚染の深刻さを軽減し、ROシステムと比較してフラックス低下のリスクが低くなる。
• 本研究では、構造的設計および表面化学的特性が、PRO膜の長期的性能および汚染耐性を左右する主要因であることを確認した。