奈米纖維RO/NF膜的電性分析技術

 

刊登日期:2016/2/22
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朱仁佑、高豐生、董睿軒、鄭淑蕙/工研院材化所

高分子電解質(Polyelectrolyte;PolyE)材料應用在許多水處理濾膜的產品上,其膜電位表現與膜性能之間的關係非常重要,作者開發新的膜電位分析方法,並研究以 PolyE 奈米纖維為基礎的 RO 或 NF 膜的電性與特性之間的關係,發現以具有較高含量 PolyE 靜電紡絲奈米纖維作為支撐層的膜擁有較高的脫鹽率。通過使用原子力顯微鏡和跨膜電位分析的結果,發現不同類型的 RO或 NF 膜的脫鹽效率與電位強度呈正相關,結果證明,該膜的脫鹽效率與表面雙電層(Electric Double Layer;EBL)和唐南排斥(Donnan Exclusion)效應有關聯性。

簡介
潔淨水資源的獲取是一個全球性的問題,在許多水處理技術中,逆滲透(RO)方法是最常使用的技術,但RO膜係利用高壓驅動的一項過濾技術,能源消耗是產水成本最重要的一個問題[2],在維持相同的特性表現下,RO膜改良往低壓操作方向將是解決此問題的最佳方法。另一方面,奈米濾膜(NF)具有低壓操作及較高出水量的優點,對一二價離子的分離效果相當好,在某些應用情境下使用,也是相當好的節能方法。RO及 NF膜脫鹽效率通常與膜的緻密度及電荷特性有很大的關係,必需要有適當分析方法驗證,對濾膜材料及結構的改良才有正確的依據。

工業技術研究院(ITRI)材料與化工研究所(MCL)開發了一種新的海水淡化膜,比商用的海水逆滲透膜(陶氏化學,SWRO)具有更低的工作壓力。就結構來說,它們之間有許多不同之處,相較於商用的SWRO屬於層狀堆疊結構, MCL膜是混合結構,MCL膜比商用SWRO更加親水,且厚度更薄。而最重要的是,MCL膜結構的支撐層是使用自行開發的高分子電解質奈米纖維(PolyE Nanofiber),與傳統使用超濾膜(Ultrafiltration Membrane, UF)當支撐層有很大的不同。圖一所代表的是膜結構和性能表現,對於這個新的逆滲透膜,其脫鹽效率在500 psi的操作壓力下高於99%,在相同的脫鹽效率下,MCL膜的操作壓力遠比商用SWRO膜更低。兩者最大的差異在於MCL膜的支撐層使用高分子電解質電紡絲,是否這層帶電的奈米纖維膜提供較高的靜電位,來增強唐南排斥現象,並提升在低操作壓力下膜的脫鹽效率,需要被證明。
 

 
圖一、左上圖為操作壓力與脫鹽效率的關係圖。右圖為商用SWRO膜和MCL膜的電子顯微鏡掃描橫截面圖。藍色線是商用SWRO膜;紅色線是MCL RO膜的測試結果。測試條件:氯化鈉的濃度為32,000 ppm,使用掃流過濾(Cross-flow Filtration)系統進行測試

一般膜的表面電位測量通常使用流線電位分析儀(Streaming Potential Analyzer;SPA),但它在高鹽濃度的溶液中使用時相當不準確,如在海水條件下使用就被限制[3]。這是因為在高鹽濃度的環境下,表面電位會被高濃度離子所屏蔽,造成僅有數奈米的電雙層(EBL)厚度,對SPA量測表面電位的離子液體流速變化幾乎無法感測,造成計算數據的不準確性。本文報導使用修飾探頭並搭配原子力顯微鏡(AFM)的定量分析及掃瞄功能,可以深入到膜表面上方5 nm以下高度,針對膜的表面電位進行分析,即使在高鹽濃度的條件下,也可以測量出表面電位的變化,AFM的表面電位分析數據結合跨膜電位測定的結果,顯示出唐南排斥作用的成因主要來自於MCL膜下方奈米纖維支撐層所貢獻。
 
材料和方法
MCL膜具有三層的結構(圖一右下圖),底層是聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)不織布,中間支撐層是電紡絲的奈米纖維膜,該膜成分是PolyE和聚丙烯腈(PAN)的混合物,最上層是通過界面聚合(Interfacial Polymerization, IP)的方法製成的聚酰胺膜,商用SWRO膜是---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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