[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过纳米材料复合，开发了具有增强亲水性的薄层纳米复合（TFN）膜，以提升压力延迟渗透（PRO）过程中的抗污染性能与渗透压能发电效率。由于其优化的多孔结构和表面亲水性，TFN膜的水通量更高，抗污染能力更强，优于传统TFC膜，显示出在可持续盐度梯度能回收方面的潜力。

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.

研究动机与目标

• 通过压力延迟渗透（PRO）过程中的纳米材料集成，开发性能更优的薄层纳米复合（TFN）膜，以实现渗透压能发电。
• 通过纳米材料掺入提升表面亲水性，以减轻膜污染——这是PRO中主要的限制因素。
• 研究膜结构（特别是孔隙率和厚度）对污染行为及通量性能的影响。
• 在PRO运行条件下，比较TFN膜与传统TFC膜的抗污染性能。

提出的方法

• 通过在聚砜基底上进行界面聚合并引入纳米材料，制备TFN膜，以增强亲水性。
• 在膜基质中引入纳米材料，以改善表面特性并降低污染倾向。
• 对膜结构进行表征，包括孔隙率和厚度，以关联结构特征与性能表现。
• 在PRO条件下评估水通量与抗污染性能，并对比TFN膜与TFC膜的表现。
• 评估水力压力对污染的影响，指出PRO中较低的压力可减轻污染严重程度，相比反渗透（RO）系统。
• 分析表面亲水性作为提升膜抗污染能力的关键因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 TFN膜中纳米材料的引入如何影响其在PRO过程中的抗污染性能？
• RQ2 膜孔隙率和厚度在影响PRO中污染行为与水通量方面起什么作用？
• RQ3 TFN膜的表面亲水性与TFC膜相比，在减轻污染方面表现如何？
• RQ4 PRO中较低的水力压力相比反渗透（RO）系统，能在多大程度上减轻污染？
• RQ5 TFN膜的哪些结构与材料特性导致更高的渗透压能发电效率和更好的通量保留性能？

主要发现

• 由于纳米材料带来的表面亲水性增强，TFN膜的水通量和渗透压能发电效率均优于传统TFC膜。
• 纳米材料的引入显著提高了膜表面的亲水性，降低了污染物的黏附，从而改善了抗污染性能。
• TFN膜表现出比TFC膜更强的抗污染能力，这归因于其优化的多孔结构和亲水性表面特性。
• 膜结构，尤其是孔隙率与厚度的一致性，对污染行为和通量性能具有决定性影响。
• PRO过程中较低的水力压力可减轻污染严重程度，使膜更不易发生通量衰减，相比RO系统。
• 本研究证实，结构设计与表面化学是决定PRO膜长期性能与抗污染能力的关键因素。