Мультимодальная динамика замкнутой воды в полиамидных мембранах обратного осмоса

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2809 (2022) Цитировать эту статью

3987 Доступов

12 цитат

60 Альтметрика

Подробности о метриках

Хотя полиамидные (ПА) мембраны широко распространены при очистке и опреснении воды методом обратного осмоса, понимание на молекулярном уровне динамики как замкнутой воды, так и полимерной матрицы остается неясным. Несмотря на плотную иерархическую структуру ПА-мембран, образующихся в результате межфазной полимеризации, предыдущие исследования показывают, что диффузия воды остается практически неизменной по отношению к объемной воде. Здесь мы используем нейтронную спектроскопию для исследования мембран ПА в точных условиях гидратации, а также серию изотопных контрастов для выяснения переноса воды и релаксации полимера, охватывающую временные шкалы пс-нс и шкалы длины Å-нм. Мы впервые экспериментально выявили мультимодальную диффузионную природу воды в мембранах ПА: в дополнение к (замедленной) поступательной прыжковой диффузии мы наблюдаем дальнодействующую и локализованную моду, геометрию и временные рамки которой мы определяем количественно. Также обнаружено, что матрица PA демонстрирует вращательную релаксацию, соизмеримую с наноразмерным удержанием, наблюдаемым при диффузии воды. Эта комплексная «карта диффузии» может служить основой для молекулярного и наномасштабного моделирования и позволяет прогнозировать дизайн ПА-мембран с настраиваемыми характеристиками.

Дефицит «пресной» воды, составляющий менее 1% запасов воды на Земле1, является одной из наиболее острых социальных проблем нашего времени и, как ожидается, будет расти по мере увеличения потребностей в воде для потребления человеком, сельского хозяйства и промышленности. Полимерные мембраны широко используются в процессах разделения и очистки, включая опреснение воды2,3,4. Мембранные процессы обратного осмоса (RO), в частности с использованием тонкопленочных композитных (TFC) мембран из ароматического полиамида (PA), обеспечивают высокую энергоэффективность, а также сравнительно высокую селективность и проницаемость и играют ключевую роль в решении этой проблемы1. Активный слой этих мембран обычно представляет собой шероховатую и смятую пленку ПА с высокой степенью поперечной сшивки, образованную в результате межфазной полимеризации (ИП) на границе раздела вода/органика между ароматическим диамином (м-фенилендиамином, MPD) и тримезоилхлоридом (TMC). ), общей толщиной несколько сотен нм, поддерживаемый толстым пористым неселективным слоем. Несмотря на широкое использование обратного осмоса, открытие и разработку новых материалов5,6, а также разработку процесса и оптимизацию эффективности1,6,7, дальнейшее улучшение характеристик разделения остается нетривиальной задачей. Частично это связано с удивительным отсутствием понимания на молекулярном уровне динамики воды, заключенной в мембране, релаксации матрицы PA и их возможного взаимодействия, которое мы стремимся разрешить.

Транспорт через активный слой обычно описывается макромасштабными моделями диффузии в растворе2,8, которые предполагают, что активный слой фактически непористый и что вода и соль распределяются в мембрану, диффундируют вдоль градиента химического потенциала и в конечном итоге десорбируются в пермеат. . Такие описательные инженерные модели затем параметризуются экспериментально измеренными константами, что позволяет сравнивать различные мембраны, методы подготовки и процессы кондиционирования. Однако важность наноструктуры (или «геометрии») активного слоя и внутреннего транспорта воды внутри полимерной матрицы широко признана9 и включена в гибридные крупнозернистые модели ПА.

Формирование ПА-мембран посредством ИП происходит динамически по механизму образования кластеров, диффузионно-ограниченной агрегации и перколяции, в результате чего образуется хорошо известная неоднородная структура пленки с распределением пор по размерам, асимметрией функциональных групп и поверхностной поляризацией10,11,12,13 ,14,15,16,17,18. Считается, что олигомерные «кластеры» TMC/MPD формируются и сливаются, образуя «когерентную пленку» из плотных кластеров внутри структур с более низкой плотностью, которые были смоделированы аналитически и численно14,15,19,20. Таким образом, ожидается, что такие «агрегаты» и «сетчатые» поры, а также «лагуны» будут вызывать сложные процессы транспорта воды, модулируемые этими областями различной плотности полимера внутри мембраны11,12,13,21,22,23,24 .