[論文レビュー] Membrane fouling: microscopic insights into the effects of surface chemistry and roughness

Mao Wang, John Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2021

Membrane Separation Technologies参考文献 43被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、表面化学および粗さが膜の汚れに与える影響を調査した。その結果、親水性酸化アルミニウム膜では、粗さが増加することで、汚れ粒子と表面の相互作用が弱まり、リッジ領域における水の構造化が強化されるため、汚れが減少することが明らかになった。一方、疎水性グラフェンでは、粗さが増加することで、汚れ粒子と表面の接着が強化され、汚れが増加する。これらの発見は、表面の親水性と形態が汚れ行動を共同で決定することを示しており、耐汚れ膜の設計指針を提供する。

ABSTRACT

Fouling is a major obstacle and challenge in membrane-based separation processes. Caused by the sophisticated interactions between foulant and membrane surface, fouling strongly depends on membrane surface chemistry and morphology. Current studies in the field have been largely focused on polymer membranes. Herein, we report a molecular simulation study for fouling on alumina and graphene membrane surfaces during water treatment. For two foulants (sucralose and bisphenol A), the fouling on alumina surfaces is reduced with increasing surface roughness; however, the fouling on graphene surfaces is enhanced by roughness. It is unravelled that the foulant-surface interaction becomes weaker in the ridge region of a rough alumina surface, thus allowing foulant to leave the surface and reducing fouling. Such behavior is not observed on a rough graphene surface because of the strong foulant-graphene interaction. Moreover, with increasing roughness, the hydrogen bonds formed between water and alumina surfaces are found to increase in number as well as stability. By scaling the atomic charges of alumina, fouling behavior on alumina surfaces is shifted to the one on graphene surfaces. This simulation study reveals that surface chemistry and roughness play a crucial role in membrane fouling, and the microscopic insights are useful for the design of new membranes towards high-performance water treatment.

研究の動機と目的

• 表面化学および粗さが膜の汚れに与える微視的メカニズムを理解すること。
• 表面粗さが酸化アルミニウムおよびグラフェン膜上での汚れ粒子の移動性および接着性に与える影響を調査すること。
• 親水性表面における汚れ低減に寄与する水の構造化および水素結合の役割を明らかにすること。
• 表面の親水性を調整することで、酸化アルミニウム様の応答（粗さ増加で汚れ減少）からグラフェン様の応答（粗さ増加で汚れ増加）に移行させられるかを特定すること。
• 表面化学および形態に基づいて次世代耐汚れ膜の設計指針を提示すること。

提案手法

• 粗さを変化させた（振幅 A = 0, 3, 5 Å）平坦および正弦波状パターンの酸化アルミニウムおよびグラフェン表面に対して、分子動力学シミュレーションを実施した。
• 汚れ粒子としてサククラロースおよびビスフェノールAを用い、移動性および相互作用エネルギーを評価した。
• 移動性を評価するため、x軸に沿って汚れ粒子を駆動するための調和ポテンシャルを適用し、平均二乗変位（MSD）を算出した。
• 汚れ粒子と表面間の相互作用エネルギーおよび接触面積を計算することで、接着強度を評価した。
• 水と酸化アルミニウム表面間の水素結合の形成および安定性を、数え上げと自己相関関数を用いて分析した。
• 酸化アルミニウムの原子電荷をスケーリングすることで表面の親水性を制御し、グラフェンと比較して汚れ行動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面粗さは、親水性酸化アルミニウム膜と疎水性グラフェン膜の両方において、汚れ粒子の移動性および接着性にどのように影響するか？
• RQ2 同じ表面トポロジーを有するにもかかわらず、粗さが酸化アルミニウムでは汚れを減少させる一方、グラフェンでは増加させる理由は何か？
• RQ3 水-表面間の水素結合は、粗い酸化アルミニウム表面における親水性および耐汚れ性能の向上にどのように寄与するか？
• RQ4 酸化アルミニウムの親水性は、平滑な表面では汚れが減少するのに対し、粗い表面では汚れが増加するという状況の転換にどのように影響するか？
• RQ5 表面電荷および親水性を調整することで、酸化アルミニウムの汚れ行動をグラフェンに類似させることができるか？

主な発見

• 粗い酸化アルミニウム表面では、リッジ領域において汚れ粒子の移動性が向上し、接着性が低下する。これは、汚れ粒子-表面間の相互作用が弱いため、汚れが減少する。
• 粗いグラフェン表面では、リッジおよびバレー領域の両方で汚れ粒子が強く吸着し続ける。これは疎水性相互作用が強いことによるもので、粗さが増加するにつれて汚れが増加する。
• 粗さが増加することで、水-酸化アルミニウム間の水素結合の数および安定性が増加し、粗い表面では水素結合の寿命も長くなる。これは表面の親水性が強化されることを示している。
• A5粗さの表面では、リッジ領域における汚れ粒子と酸化アルミニウム表面間の接触面積がゼロにまで減少し、汚れ粒子の脱吸着を示しており、相互作用が著しく低下している。
• 酸化アルミニウムの原子電荷を低減させることで親水性を低下させた結果、汚れ行動が酸化アルミニウム様（粗さ増加で汚れ減少）からグラフェン様（粗さ増加で汚れ増加）にシフトした。これは表面エネルギーの役割を確認するものである。
• シミュレーション結果は、3Dプリンティングで作製された酸化アルミニウム膜の実験的観察と整合しており、モデルの予測能を裏付けている。