Формирование гибридных мембран для обессоливания водных растворов методом мембранной дистилляции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Разработан метод формирования гибридных мембран, состоящих из гидрофильной микропористой подложки и осажденного методом электроформования гидрофобного нановолоконного слоя полимера. В качестве гидрофильной микропористой подложки использовали трековую мембрану из полиэтилентерефталата, на поверхность которой для обеспечения адгезии нановолоконного слоя полимера методом магнетронного напыления наносили тонкий слой титана. Данный слой одновременно являлся электродом осадительного коллектора в процессе электроформования нановолоконного покрытия. Показано, что применение данного метода формирования полимерных покрытий при использовании в качестве исходного материала для образования нановолокон поливинилиденфторида позволяет получать слой, обладающий высокогидрофобными свойствами, угол смачивания поверхности которого в зависимости от плотности осаждения в среднем составляет 143.3 ± 1.3°. Исследование морфологии нановолоконного покрытия показывает, что он имеет типичную для нетканых материалов микроструктуру. Кроме того, нановолокна, образующие пористую систему данного слоя, имеют широкий разброс по размерам. Изучение молекулярной структуры нановолоконного слоя методами ИК-Фурье-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа показало, что в его структуре преобладает β-фаза, для которой характерен максимальный дипольный момент. Показано, что гибридные мембраны разработанного образца обеспечивают высокую селективность разделения при обессоливании водного раствора хлорида натрия с концентрацией 26.5 г/л методом мембранной дистилляции. Коэффициент солезадержания для мембран с плотностью нановолоконного слоя от 20.7 ± 0.2 до 27.6 ± 0.2 г/м2 в исследованном режиме процесса мембранной дистилляции составляет 99.97–99.98%. Установлено, что использование высокогидрофобного нановолоконного слоя, обладающего развитой поровой структурой, в сочетании с гидрофильной микропористой основой позволяет повысить производительность процесса мембранной дистилляции. Значение максимального потока конденсата через мембраны при этом составляет в среднем 7.0 кг м2/ч, и его величина зависит от плотности осажденного нановолоконного слоя.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. И. Виноградов

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Россия, Дубна

Н. А. Дрожжин

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Россия, Дубна

Л. И. Кравец

Объединенный институт ядерных исследований

Автор, ответственный за переписку.
Email: kravets@jinr.ru
Россия, Дубна

А. Россоу

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Россия, Дубна

Т. Н. Вершинина

Объединенный институт ядерных исследований

Email: kravets@jinr.ru
Россия, Дубна

А. Н. Нечаев

Объединенный институт ядерных исследований; Государственный университет “Дубна”

Email: kravets@jinr.ru
Россия, Дубна; Дубна

Список литературы

  1. Curto D., Franzitta V., Guercio A. A review of the water desalination technologies // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 670. https://doi.org/10.3390/app11020670
  2. Брык М.Т., Нигматуллин Р.Р. Мембранная дистилляция // Успехи химии. 1994. Т. 63. № 12. С. 1114–1129.
  3. Drioli E., Ali A., Macedonio F. Membrane distillation: Recent developments and perspectives // Desalination. 2015. V. 356. P. 56–84. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2014.10.028
  4. Essalhi M., Khayet M. Surface segregation of fluorinated modifying macromolecule for hydrophobic/hydrophilic membrane preparation and application in air gap and direct contact membrane distillation // J. Membr. Sci. 2012. V. 417–418. P. 163–173. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2012.06.028
  5. Khalifa A., Lawal D., Antar M., Khayet M. Experimental and theoretical investigation on water desalination using air gap membrane distillation // Desalination. 2015. V. 376. P. 94–108. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2015.08.016
  6. Woo Yu.Ch., Tijing L.D., Park M.J., Yao M., Choi J.-S., Lee S., Kim S.-H., An K.-J., Shon H.K. Electrospun dual-layer nonwoven membrane for desalination by air gap membrane distillation // Desalination. 2017. V. 404. P. 187–198. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2015.09.009
  7. Ulbricht M. Advanced functional polymer membranes // Polymer. 2006. V. 47. P. 2217–2262. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.01.084
  8. Blasco E., Sims M.B., Goldmann A.S., Sumerlin B.S., Barner-Kowollik C. 50th Anniversary perspective: polymer functionalization // Macromolecules. 2017. V. 50. P. 5215–5252. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b00465
  9. Makvandi P., Iftekhar S., Pizzetti F., Zarepour A., Zare E.N., Ashrafzadeh M., Agarwa T., Padil V.V.T., Mohammadinejad R., Sillanpaa M., Maiti T.K., Perale G., Zarrabi A., Rossi F. Functionalization of polymers and nanomaterials for water treatment, food packaging, textile and biomedical applications: A review // Envir. Chem. Let. 2021. V. 19. P. 583–611. https://doi.org/10.1007/s10311-020-01089-4
  10. Abegunde O.O., Akinlabi E.T., Oladijo O.Ph., Akinlabi S., Ude A.U. Overview of thin film deposition techniques // AIMS Materials Science. 2019. V. 6. P. 174–199. https://doi.org/10.3934/matersci.2019.2.174
  11. Liu F., Wang L., Li D., Liu Q., Deng B. A review: the effect of the microporous support during interfacial polymerization on the morphology and performances of a thin film composite membrane for liquid purification // RCS Adv. 2019. V. 9. P. 35417–35428. https://doi.org/10.1039/c9ra07114h
  12. Anis Sh. F., Hashaikeh R., Hilal N. Functional materials in desalination: A review // Desalination. 2019. V. 468. P. 114077. https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.114077
  13. Assad M. El Haj, Bani-Hanib E., Al-Sawafta I., Issa S., Hmida A., Gupta M., Atiqure R.S.M., Hidouri K. Applications of nanotechnology in membrane distillation: A review study // Desalination and Water Treatment. 2020. V. 192. P. 61–77. https://doi.org/10.5004/dwt.2020.25821
  14. Farahbakhsh J., Vatanpour V., Khoshnam M., Zargar M. Recent advancements in the application of new monomers and membrane modification techniques for the fabrication of thin film composite membranes: A review // Reactive and Functional Polymers. 2021. V. 166. P. 105015. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2021.105015
  15. Кравец Л.И., Алтынов В.А., Ярмоленко М.А., Гайнутдинов Р.В., Satulu V., Mitu B., Dinescu G. Осаждение на поверхности трековых мембран гидрофобных полимерных покрытий из активной газовой фазы // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 2. С. 151–162. https://doi.org/10.1134/S2218117222020079
  16. Fan W., Qian J., Bai F., Li Y., Wang C., Zhao Q.-Z. A facile method to fabricate superamphiphobic polytetrafluoroethylene surface by femtosecond laser pulses // Chem. Phys. Lett. 2016. V. 644. P. 261–266. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2015.12.010
  17. Yong J., Chen F., Yang Q., Jiang Z., Hou X. A review of femtosecond-laser-induced underwater superoleophobic surfaces // Adv. Mater. Interfaces. 2018. V. 5. P. 1701370. https://doi.org/10.1002/admi.201701370
  18. Satulu V., Mitu B., Pandele A.M., Voicu S.I., Kravets L., Dinescu G. Composite polyethylene terephthalate track membranes with thin teflon-like layers: preparation and surface properties // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 476. P. 452–459. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.01.109
  19. Ju Y., Ai L., Qi X., Li J., Song W. Review on hydrophobic thin films prepared using magnetron sputtering deposition // Materials. 2023. V. 16. P. 3764. https://doi.org/10.3390/ma16103764
  20. Michels A.F., Soave P.A., Nardi J., Jardim P.L.G., Teixeira S.R., Weibel D.E., Horowitz F. Adjustable, (super)hydrophobicity by e-beam deposition of nanostructured PTFE on textured silicon surfaces // J. Mater. Sci. 2016. V. 51. P. 1316–1323. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9449-3
  21. Grytsenko K., Ksianzou V., Kolomzarov Y., Lytvyn P., Birgit Dietzel B., Schrader S. Fluoropolymer film formation by electron activated vacuum deposition // Surfaces. 2021. V. 4. P. 66–80. https://doi.org/10.3390/surfaces4010009
  22. Кравец Л.И., Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Гайнутдинов Р.В., Гильман А.Б., Алтынов В.А., Лизунов Н.Е. Формирование на поверхности трековых мембран супергидрофобных покрытий методом электронно-лучевого диспергирования полимеров в вакууме // Перспективные материалы. 2019. № 11. С. 59–74. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2019-11-59-74
  23. Кравец Л.И., Ярмоленко М.А., Рогачев А.В., Гайнутдинов Р.В., Алтынов В.А., Лизунов Н.Е. Формирование на поверхности трековых мембран гидрофобных и супергидрофобных покрытий с целью создания композиционных мембран для опреснения воды // Коллоидный журнал. 2022. Т. 84. № 4. С. 433–452. https://doi.org/ 10.31857/S0023291222040085
  24. Khayet M., Garcia-Payo M.C., Garcia-Fernandez L., Contreras-Martinez J. Dual-layered electrospun nanofibrous membranes for membrane distillation // Desalination. 2018. V. 426. P. 174–184. http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2017.10.036
  25. Huang Y., Huang Q.-L., Liu H., Zhang Ch.-X., You Y.-W., Li N.-N., Xiao Ch.-F. Preparation, characterization, and applications of electrospun ultrafine fibrous PTFE porous membranes // J. Memb. Sci. V. 523. P. 317–326. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2016.10.019
  26. Tijing L.D., Choi J.S., Lee S., Kim S.H., Shon H.K. Recent progress of membrane distillation using electrospun nanofibrous membrane // J. Membr. Sci. 2014. V. 453. P. 435–462. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.11.022
  27. Subrahmanya T.M., Arshad A.B., Lin P.T., Widakdo J., Makari H.K., Austria H.F.M., Hu Ch.-Ch., Lai J.Y., Hung W.-S. A review of recent progress in polymeric electrospun nanofiber membranes in addressing safe water global issues // RSC Adv. 2021. V. 11. P. 9638–9663. https://doi.org/10.1039/d1ra00060h
  28. Nayl A.A., Abd-Elhamid A.I., Awwad N.S., Abdelgawad M.A., Wu J., Mo X., Gomha S.M., Aly A.A., Brase S. Review of the recent advances in electrospun nanofibers applications in water purification // Polymers. 2022. V. 14. P. 1594. https://doi.org/10.3390/polym14081594
  29. Khatri M., Francis L., Hilal N. Modified electrospun membranes using different nanomaterials for membrane distillation // Membranes. 2023. V. 13. P. 338. https://doi.org/10.3390/membranes13030338
  30. Филатов Ю.Н. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-Процесс). Москва. 2001, 297 с.
  31. Колобков А.С. Электроформование синтетических волокон и их применение (обзор) // Наноиндустрия. 2022. Т.15. № 2. С. 118–127. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.118.127
  32. Виноградов И.И., Петрик Л., Серпионов Г.В., Нечаев А.Н. Композитная мембрана на основе трековой мембраны и нанокаркаса хитозана // Мембраны и мембранные технологии. 2021. Т. 11. № 6. С. 447–459. https://doi.org/10.1134/S2218117221060092
  33. Виноградов И.И., Андреев Е.В., Н. Юшин Н.С., Сохацкий А.С., Алтынов В.А., Густова М.В., Вершинина Т.Н., Зиньковская И., Нечаев А.Н., Апель П.Ю. Гибридная мембрана для одновременной селективной сорбции цезия в ионной и коллоидной форме // Теоретические основы химической технологии. 2023. Т. 57. № 4. С. 479–492. https://doi.org/10.31857/S0040357123040176
  34. Pereao O., Uche C., Bublikov P.S., Bode-Aluko C., Rossouw A., Vinogradov I.I., Nechaev A.N., Opeolu B., Petrik L. Chitosan/PEO nanofibers electrospun on metallized track-etched membranes: fabrication and characterization // Mater. Today Chem. 2021. V. 20. P. 100416. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2020.100416
  35. Rossouw A., Olejniczak A., Olejniczak K., Gorberg B., Vinogradov I., Kristavchuk O., Nechaev A., Petrik L., Perold W., Dmitriev S. Ti and TiO2 magnetron sputtering in roll-to-roll fabrication of hybrid membranes // Surf. Interf. 2022. V. 31. P. 101975. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.101975
  36. Demina T.S., Frolova A.A., Istomin A.V., Kotova S.L., Piskarev M.S., Bardakova K.N., Yablokov M.Y., Altynov V.A., Kravets L.I., Gilman A.B., Akopova N.A., Timashev P.S. Coating of polylactide films by chitosan: Comparison of methods // Journal of Applied Polymer Science. 2020. V. 137. № 3. P. 48267. https://doi.org/10.1002/app.48287
  37. Apel P.Yu., Dmitriev S.N. Micro- and nanoporous materials produced using accelerated heavy ion beams. // Adv. Natur. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2011. V. 2. P. 013002. https://doi.org/10.1088/2043-6262/2/1/013002
  38. Almarzooqi F.A., Bilad M.R., Arafat H.A. Development of PVDF membranes for membrane distillation via vapour induced crystallisation // Eur. Polym. J. 2016. V. 77. P. 164–173. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2016.01.031
  39. Huhtamäki T., Tian X., Korhonen J.T., Ras R.H.A. Surface-wetting characterization using contact angle measurements // Nature Protocols. 2018. V. 13. P. 1521–1538. https://doi.org/10.1038/s41596-018-0003-z
  40. Essalhi M., Khayet M. Self-sustained webs of polyvinylidene fluoride electrospun nanofibers at different electrospinning times: 1. Desalination by direct contact membrane distillation // J. Memb. Sci. 2013. V. 433. P. 167–179. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2013.11.056
  41. Larkin P.J. Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation. Waltham: Elsevier. 2011, 228 p.
  42. Россоу А., Виноградов И.И., Серпионов Г.В., Горберг Б.Л., Молоканова Л.Г., Нечаев А.Н. Композитная трековая мембрана, получаемая методом магнетронного напыления нанослоя титана // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 3. С. 200–213. https://doi.org/10.31857/S2218117222030038
  43. Lovinger A.J. Poly(vinylidene fluoride). In Developments in Crystalline Polymers // Springer Dordr. 1982. P. 195–273. https://doi.org/10.1007/978-94-009-7343-5_5
  44. Liu F., Hashim N.A., Liu Y., Abed M.R.M., Li K. Progress in the production and modification of PVDF membranes // J. Memb. Sci. 2011. V. 375. P. 1–27. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.03.014
  45. Kang G.-D., Cao Y.-M. Application and modification of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes – A review // J. Memb. Sci. 2014. V. 463. P. 145–165. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2014.03.055
  46. Martins P., Lopes A.C., Lanceros-Mendez S. Electroactive phases of poly(vinylidene fluoride): Determination, processing and applications // Prog. Polym. Sci. 2014. V. 39. P. 683–706. http://dx.doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.07.006
  47. Kumarasinghe H.U., Bandara L.R.A.K., Bandara T.M.W.J., Senadeera G.K.R., Thotawatthage C.A Fabrication of β-phase poly (vinylidene fluoride) piezoelectric film by electrospinning for nanogenerator preparations // Ceylon J. Sci. 2021. V. 50. P. 357–363. https://doi.org/10.4038/cjs.v50i5.7925
  48. Lei T., Cai X., Wang X., Yu L., Hu X., Zheng G., Lv W., Wang L., Wu D., Sun D., Lin L. Spectroscopic evidence for a high fraction of ferroelectric phase induced in electrospun polyvinylidene fluoride fibers // RSC Adv. 2013. V. 3. P. 24952–24958. https://doi.org/10.1039/c3ra42622j
  49. Quere D. Wetting and roughness // Ann. Rev. Mater. Res. 2008. V. 38. P. 71–99. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.38.060407.132434
  50. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Усп. хим. 2008. Т. 77. № 7. С. 619–638.
  51. Racz G., Kerker S., Kovacs Z., Vatai G., Ebrahimi M., Czermak P. Theoretical and experimental approaches of liquid entry pressure determination in membrane distillation processes // Per. Pol. Chem. Eng. 2014. V. 58. № 2. P. 81–91. https://doi.org/10.3311/PPch.2179
  52. Liao Y., Wang R., Tian M., Qiu Ch., Fane A.G. Fabrication of polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofiber membranes by electro-spinning for direct contact membrane distillation // J. Memb. Sci. 2013. V. 425–426. P. 30–39. http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2012.09.023

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема лабораторной установки для проведения процесса мембранной дистилляции

Скачать (117KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изображения поверхности образцов мембран, полученные с помощью РЭМ: а – ТМ (Ti) + ПВДФ (10); б – PVDF, Merck; в – ТМ (Ti)

Скачать (249KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ИК-Фурье спектр (а) и рентгенограмма (б) нановолоконного слоя из ПВДФ на поверхности мембраны ТМ (Ti)

Скачать (146KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Угол смачивания водой поверхности образцов мембран ТМ (Ti), PVDF Merck, ТМ (Ti) + ПВДФ (10)

Скачать (68KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение потока конденсата во времени в процессе МД (а) и коэффициента солезадержания (б) при использовании образцов мембран ТМ (Ti) + ПВДФ (V) с различной плотностью осажденного нановолоконного слоя и мембраны PVDF Merck

Скачать (168KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024