DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63639-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40890134
تاريخ النشر: 2025-09-01
المؤلف: Jishan Wu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نقدم فئة جديدة من أغشية التناضح العكسي المركبة ذات الفيلم الرقيق المتشابك (TFX) المصممة لتحمل الانضغاط الفيزيائي عند ضغوط فائقة الارتفاع، تصل تحديدًا إلى 200 بار. تكمن أهمية هذا التطور في المشكلة الشائعة للانضغاط التي تواجهها أغشية التناضح العكسي عبر مجموعة متنوعة من ضغوط التشغيل، والتي يمكن أن تؤثر سلبًا على أدائها. يتم تصنيع أغشية TFX من خلال عملية من خطوتين: أولاً، يتم تشابك غشاء دعم مسامي من بوليميد (PI) معكوس الطور، يليه البلمرة الواجهة لطبقة بولياميد (PA)، مما يؤدي إلى هيكل مركب متصلب بالكامل.
تشير نتائجنا إلى أن أغشية TFX تظهر انخفاضًا ملحوظًا في الانضغاط مقارنةً بكل من الأغشية المصبوبة يدويًا والأغشية التجارية المتاحة للتناضح العكسي عالي الضغط. على وجه التحديد، تظهر انخفاضًا أقل من 10% في نفاذية الماء مع الحفاظ على أكثر من 99% من رفض الملح لمحلول NaCl بتركيزات تصل إلى 180,000 ملغ/لتر تحت ضغط 200 بار. يُعزى هذا الأداء إلى التحسين الدقيق لمجموعة متنوعة من المعلمات خلال عملية تشكيل الغشاء المعكوس الطور، بما في ذلك تركيز PI، ونسب المذيب والمذيب المساعد، وتركيب حمام التجلط، وطرق التشابك، بالإضافة إلى ظروف البلمرة الواجهة. إن التقدم المقدم في هذه البحث له آثار كبيرة على تعزيز كفاءة وطول عمر أغشية التناضح العكسي في تطبيقات معالجة المياه.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على بوليميد (PI) (P84) من شركة Ensinger Sintimid GmbH، بينما كانت جميع المذيبات المستخدمة من درجة HPLC، بما في ذلك الإيزوبروبانول (IPA)، والهكسان، و1,4-دي أوكسان، وN,N-ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، وكلوريد التريميزويل (TMC، 98%)، وm-فينيلينديامين (MPD، > 99%)، و1,6-هكسانديامين (HDA)، وبولي إيثيلين جلايكول (PEG)، وثلاثي إيثيل أمين (TEA)، وحمض الستريك، جميعها تم الحصول عليها من Sigma Aldrich. استخدمت عملية البلمرة الواجهة MPD وTMC كأحاديين لإنشاء طبقة بولياميد (PA) النشطة، باستخدام ماء منزوع الأيونات فائق النقاء 18-MΩ والهكسان كالمراحل المائية والعضوية، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تم تزويد القماش غير المنسوج المستخدم في صب الغشاء من قبل شركة AZTECH.
تؤسس هذه الإطار المنهجي أساسًا قويًا لتخليق الغشاء، مما يضمن نقاء وجودة عالية من المواد، وهو أمر حاسم لتقييم الأداء اللاحق للغشاء المطور.
نتائج
تقدم قسم النتائج في الدراسة تقدمًا كبيرًا في تشكيل وخصائص وأداء الفصل لأغشية الدعم المسامية المتشابكة، مع التركيز بشكل خاص على أغشية البوليميد (PI). تسلط الدراسة الضوء على طريقتين للتشابك: خارج الموقع وداخل الموقع. تسهل طريقة داخل الموقع، التي تدمج الانعكاس الطوري والتشابك في نفس الوقت، عملية التصنيع وتعزز قابلية التوسع للتطبيقات التجارية. تزيد كلا الطريقتين بنجاح من قوة الشد للأغشية إلى 14-19 ميغاباسكال، متجاوزة العتبة البالغة 7 ميغاباسكال اللازمة لتطبيقات التناضح العكسي عالي الضغط (HPRO)، وتظهر مقاومة محسنة للانضغاط، مع انخفاض تدفق بنسبة 10% فقط تحت الضغط مقارنةً بنحو 50% لأغشية PSU التقليدية.
تؤكد مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR) التحول الكيميائي لطبقة PI إلى مادة متصلبة، كما يتضح من التحول من مجموعات إيميد إلى مجموعات أميد. تستكشف الدراسة أيضًا عوامل مختلفة تؤثر على هيكل الغشاء، مثل تركيز البوليمر وكيمياء حمام التجلط، والتي تؤثر على المسامية والمحبة للماء. من الجدير بالذكر أن تركيزات البوليمر الأعلى وتركيبات المذيبات المحددة تؤدي إلى أغشية أكثر كثافة مع انخفاض في المسامية السطحية. تعزز طريقة التشابك داخل الموقع تكثيفًا أكثر تجانسًا في جميع أنحاء الغشاء، بينما تؤثر طريقة التشابك خارج الموقع بشكل أساسي على الطبقة السطحية. تشير النتائج إلى أنه بينما تنتج كلا الطريقتين أغشية بمسامية مماثلة، فإن النهج داخل الموقع يقدم مزايا من حيث كفاءة العملية وقابلية التوسع، مما يساهم في تحسين أداء الفصل.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على مقاومة الانضغاط وأداء أغشية التناضح العكسي المركبة TFX، مع التأكيد على مزايا استخدام أغشية دعم البوليميد (PI) مقارنةً بنظيراتها من بولي سلفون (PSU). تكشف الدراسة أن أغشية TFX تظهر مقاومة متفوقة للانضغاط بفضل هيكلها المتصلب بالكامل، الذي يتحقق من خلال التشابك العالي في كل من طبقة البولياميد (PA) النشطة وطبقة الدعم. من الجدير بالذكر أن أغشية TFX داخل الموقع تحافظ على معدلات رفض الملح العالية (تصل إلى 99.05%) حتى تحت ضغوط 200 بار، مما يوضح قوتها في التطبيقات عالية الضغط. يعزز إدخال ثلاثي إيثيل أمين (TEA) كعامل مساعد أثناء البلمرة الواجهة بشكل كبير من تجانس وتشابك طبقة PA، مما يؤدي إلى تحسين نفاذية الماء وأداء الفصل.
تشير النتائج إلى أن السلامة الهيكلية لأغشية TFX محفوظة تحت الضغوط العالية، مع ملاحظة الحد الأدنى من الانضغاط مقارنةً بأغشية TFC التجارية، التي تعاني من تدهور كبير في الأداء. تقترح الدراسة أن التفاعل بين شكل الدعم وكثافة التشابك وظروف البلمرة الواجهة أمر حاسم لتحسين أداء الغشاء. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف كيميائيات بوليمر بديلة واستراتيجيات تشابك لتعزيز خصائص أغشية TFX بشكل أكبر، مما يوسع من قابليتها للتطبيق في مختلف تطبيقات التناضح العكسي، بما في ذلك تركيز المحاليل الملحية تحت ضغط فائق. بشكل عام، تمثل أغشية TFX تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا التناضح العكسي، حيث تقدم حلاً واعدًا لعمليات معالجة المياه المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63639-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40890134
Publication Date: 2025-09-01
Author(s): Jishan Wu et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
In this study, we introduce a novel class of thin-film crosslinked (TFX) composite reverse osmosis (RO) membranes designed to withstand physical compaction at ultrahigh pressures, specifically up to 200 bar. The significance of this development lies in the common issue of compaction faced by RO membranes across various pressure ranges, which can adversely affect their performance. The TFX membranes are fabricated through a two-step process: first, a phase-inverted porous polyimide (PI) support membrane is crosslinked, followed by the interfacial polymerization of a polyamide (PA) layer, resulting in a fully thermoset composite structure.
Our findings indicate that TFX membranes demonstrate markedly reduced compaction compared to both hand-cast and commercially available high-pressure RO membranes. Specifically, they exhibit less than a 10% decline in water permeance while maintaining over 99% salt rejection for NaCl solutions at concentrations up to 180,000 mg/L under 200 bar pressure. This performance is attributed to the careful optimization of various parameters during the phase inversion membrane formation process, including PI concentration, solvent-cosolvent ratios, coagulation bath composition, and crosslinking methods, as well as the conditions for interfacial polymerization. The advancements presented in this research have significant implications for enhancing the efficiency and longevity of RO membranes in water treatment applications.
Methods
In this study, polyimide (PI) polymer (P84) was sourced from Ensinger Sintimid GmbH, while all solvents utilized were of HPLC grade, including isopropanol (IPA), hexane, 1,4-dioxane, N,N-dimethylformamide (DMF), trimesoyl chloride (TMC, 98%), m-phenylenediamine (MPD, > 99%), 1,6-hexanediamine (HDA), polyethylene glycol (PEG), triethylamine (TEA), and citric acid, all obtained from Sigma Aldrich. The interfacial polymerization process employed MPD and TMC as monomers to create the polyamide (PA) active layer, utilizing 18-MΩ ultrapure de-ionized water and hexane as the aqueous and organic phases, respectively. Additionally, the nonwoven fabric used for membrane casting was supplied by AZTECH Corporation.
This methodological framework establishes a robust foundation for the synthesis of the membrane, ensuring high purity and quality of materials, which is critical for the subsequent performance evaluation of the developed membrane.
Results
The results section of the study presents significant advancements in the formation, properties, and separation performance of crosslinked porous support membranes, particularly focusing on polyimide (PI) membranes. The research highlights two crosslinking methods: ex situ and in situ. The in situ method, which integrates phase inversion and crosslinking simultaneously, simplifies the fabrication process and enhances scalability for commercial applications. Both methods successfully increase the tensile strength of the membranes to 14-19 MPa, surpassing the 7 MPa threshold necessary for high-pressure reverse osmosis (HPRO) applications, and demonstrate improved compaction resistance, with only a 10% flux decline under pressure compared to nearly 50% for conventional PSU membranes.
Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy confirms the chemical transformation of the PI layer into a thermoset material, evidenced by the shift from imide to amide functional groups. The study also explores various factors affecting membrane structure, such as polymer concentration and coagulation bath chemistry, which influence porosity and hydrophilicity. Notably, higher polymer concentrations and specific solvent compositions lead to denser membranes with reduced surface porosity. The in situ crosslinking method promotes more uniform densification throughout the membrane, while ex situ crosslinking primarily affects the surface layer. The findings indicate that while both methods yield membranes with similar porosity, the in situ approach offers advantages in terms of process efficiency and scalability, ultimately contributing to enhanced separation performance.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the compaction resistance and performance of TFX composite reverse osmosis (RO) membranes, emphasizing the advantages of using polyimide (PI) support membranes over polysulfone (PSU) counterparts. The study reveals that TFX membranes exhibit superior compaction resistance due to their fully thermoset structure, which is achieved through high crosslinking in both the polyamide (PA) active layer and the support layer. Notably, in situ TFX membranes maintain high salt rejection rates (up to 99.05%) even under pressures of 200 bar, demonstrating their robustness in high-pressure applications. The introduction of triethylamine (TEA) as a catalyst during interfacial polymerization significantly enhances the uniformity and crosslinking of the PA layer, leading to improved water permeance and separation performance.
The findings indicate that the structural integrity of TFX membranes is maintained under high pressures, with minimal compaction observed compared to commercial TFC membranes, which suffer significant performance degradation. The study suggests that the interplay between support morphology, crosslinking density, and interfacial polymerization conditions is crucial for optimizing membrane performance. Future research directions include exploring alternative polymer chemistries and crosslinking strategies to further enhance the properties of TFX membranes, thereby broadening their applicability in various RO applications, including ultrahigh-pressure brine concentration. Overall, the TFX membranes represent a significant advancement in RO technology, offering a promising solution for sustainable water treatment processes.