CC BY
11
УДК 621.039.332: 66.081.6 Попека ВВ., Аверина Ю.М.
АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ КЕРАМИЧЕСКИХ МЕМБРАН ДЛЯ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ МЕТОДОМ МЕМБРАННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ
Попека Владимир Владимирович, студент 1-го курса магистратуры факультета инженерной химии e-mail: [email protected]
Аверина Юлия Михайловна, к.т.н., доцент кафедры ИМиЗК, председатель ОСУМУСС РХТУ имени Д.И. Менделеева
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., 9
Растущая потребность в чистой воде для людей и промышленности требует новых методов ее добычи. Мембранное опреснение может решить эту проблему, улучшить качество жизни и привести к эффективному использованию водных ресурсов
Ключевые слова: керамические мембраны, мембранная дистилляция, гидрофобная поверхность
ANALYSIS OF METHODS FOR MODIFYING THE SURFACE OF CERAMIC MEMBRANES FOR DESALINATION BY MEMBRANE DISTILLATION
Popeka V.V
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The growing need for clean water for people and industry requires new methods for its extraction. Membrane desalination can solve this problem, improve the quality of life and lead to the effective use of water resources Keywords: ceramic membranes, membrane distillation, hydrophobic surface
Рост человеческой популяции и развитие производства требуют притока все большего количества ресурсов. Некоторые из них перерабатывают и используют снова, иные, такие как уголь или нефть, могут быть заменены -энергией солнца, ветра, управляемого термоядерного синтеза. Но базовыми потребностями человека остаются пища и вода, которая так же используется как в производстве пищи, так и в промышленности. Пресная вода на практике является относительно редким ресурсом и ее очистка после использования не может покрыть возрастающий спрос [1] - возникает необходимость увеличить сам объём пресной воды путём обессоливания морской воды. Такой процесс может быть осуществлён различными методами, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Но в рамках данной статьи я рассмотрю один из самых перспективных - мембранную дистилляцию.
Мембранная дистилляция (MD) представляет собой термически управляемый мембранный процесс, в котором гидрофобная микропористая мембрана разделяет нагретый исходный раствор и холодную фазу приёма. Разность температур на мембране создаёт градиент давления водяного пара, что приводит к его переносу через поры. Существует четыре вида мембранной дистилляции -DCMD, AGMD, SGMD и VMD [2]. Они различаются в условиях отвода пермеата - так, например, в DCMD пермеат контактирует с мембраной и гидрофобная поверхность необходима с обеих сторон модуля, когда как в AGMD между пермеатом и мембраной создаётся воздушная подушка.
Гидрофобные свойства поверхности крайне важны для данного процесса поскольку, вне зависимости от вида мембранной дистилляции, исходный раствор контактирует с поверхностью мембраны. Прямой контакт жидкости с мембраной приведёт к нарушению процесса и подъёму жидкости по порам.
К преимуществам мембранной дистилляции относят относительно низкое энергопотребление в сравнении с обратным осмосом или первапорацией, меньшее загрязнение мембраны в сравнении с микрофильтрацией, ультрафильтрацией и обратным осмосом, относительно низкое рабочее давление и более компактная конструкция в сравнении с дистилляцией [3]. Обычно, мембраны для такого процесса изготавливаются из политетрафторэтилена (ПТФЭ), полипропилена (ПП) и
поливинилидендифторида (ПВДФ) и они уже были коммерчески доступны около двадцати лет назад [4]. Применение полимеров обусловлено их гидрофобными свойствами, необходимыми для нормального хода процесса, однако идея использовать керамические материалы вызвана ее устойчивостью к температуре и долговечностью. Из-за, в противовес полимерным материалам, гидрофильности керамических материалов эффективность дистилляции падает в силу смачивания и заполнения пор. Цель данной статьи -рассмотреть возможное решение данной проблемы путём модификации поверхности керамической мембраны аддитивными методами.
Модификацию поверхности керамической мембраны необходимо осуществить в соответствии с моделью Касси-Бакстера (рис.1).
а 6
Рис. 1. Модели смачивания текстурированных поверхностей: а - модель Касси-Бакстера; б - модель Вентцеля [5]
Главное отличие модифицированной
поверхности и естественной поверхностью, с присутствующим между неровностями воздухом, заключается в возможности произвести определённый паттерн и добиться минимальной смачиваемости поверхности и, в итоге, гидрофобных свойств. Исследование университета Твенте
Идея создания гидрофобной керамической мембраны является относительно новой, но работы по модификации поверхности уже проводились (рис.2). По итогам экспериментов средний угол контакта материала с водой изменился с 0 до 117 градусов и удаление соли составило 99.8% , однако из-за неравномерной формы и необходимости механической обработки после спекания производительность была ограничена. Недостатки полученных мембран обусловлены методом литья под действием фазовой инверсии и проблемами с последующей обработкой, этого можно избежать задействовав аддитивные методы.
Инструменты создания гидрофобной керамической поверхности
Модифицировать поверхность керамической мембраны можно разными способами - это может быть механическая обработка самой поверхности, лазерная обработка, нанесение нового слоя покрытия с заданными свойствами. Но в силу пористости поверхности мембраны мы не можем использовать фрезерование, шлифование и сверление, это не даст равномерного паттерна и может привести к отвалам на поверхности, внутренним повреждениям и трещинам. Лазерная обработка лишена большей части недостатков обработки механической, поскольку не сверлит поверхность, а испаряет ее. Но процесс испарения материала и плавления керамики может снизить пористость мембраны и, как следствие, ее эффективность. Кроме того - такая обработка требует дорогостоящего оборудования и требовательна к безопасности. В итоге, наиболее выгодным методом создания гидрофобной поверхности у керамической мембраны является нанесение покрытия. И лучше всего для этого может подойти электрогидродинамическая печать. Это распространённая методика для нанесения наноструктур, наночастиц, нанопористых волокон и функционального напыления тонких плёнок, толщина которых может составлять 1 -2 микрона (Рис.3). Этот метод использует электрические силы при распылении жидкости -на выходе из сопла она подвергается электрическому напряжению. Управляя скоростью потока жидкости и величиной напряжения эта технология способна создавать капли размером от нанометра до микрометра.
Рис. 2. Капля воды на гидрофобной керамической поверхности [6]
Рис. 3. Флуоресцентная электроструйная печать на кремниевой пластине с использованием суспензии
олигонуклеотидов [7]
Данный метод нанесения покрытий может использовать металлы и их сплавы в форме суспензии, керамические суспензии и полимеры. Именно электрогидродинамическая печать может обеспечить напыление поверхности, близкой к модели Касси-Бакстера. Этот способ сочетает в себе низкую стоимость и возможность комбинации с иными методами обработки. Однако важно и то, что аддитивные технологии в лице
электрогидродинамического распыления
совместимы и с гибридными платформами для производства.
Гибридизация средств производств, основанных на 5 ах18-системах и совмещающих в себе и способы напыления, и способы его обработки может значительно снизить время производства, повысить его точность и нейтрализовать человеческий фактор.
Выводы
1. Мембранная дистилляция является перспективным направлением в сфере получения воды для промышленности и личных нужд людей.
2. Использование керамических материалов в мембранной дистилляции может повысить эффективность процесса и убрать необходимость частой замены мембраны.
3. Дальнейшие эксперименты и разработки в области создания гидрофобной поверхности на керамических и/или металлических материалах могут найти применение в иных областях промышленности.
Список используемой литературы
1. Coping with water scarcity a strategic issue and priority for system-wide action. UN-Water Thematic Initiatives
2. Abdullah Alkhudhiri, Naif Darwish, Nidal Hilal. Membrane distillation: A comprehensive review
3. Membrane Distillation: Principle, Advances, Limitations and Future Prospects in Food Industry. Pelin Onsekizoglu
4. Lawson, K.W. and D.R. Lloyd, Membrane distillation. Journal of Membrane Science, 1997
5. А. В. Придатко, А. В. Миронюк, В. А. Свидерский. Анализ подходов к математическому описанию характеристик материалов с повышенной гидрофобностью. 2015 год
6. Ruben Menke. Fabrication of a full-ceramic hydrophobic membrane for water desalination. 2015
7. John Rogers E-Jet (Electrohydrodynamic Jet) Printing
