بررسی راهکارهای ارتقای خواص رئولوژیکی و ضدرسوب غشاهای مورداستفاده در تصفیه‌ی آب
الموضوعات :
1 - آزاد
الکلمات المفتاحية: اُسمز معکوس, غشا, خاصیت ضدرسوب, اصلاح سطح, تصفیه آب,
ملخص المقالة :
با افزایش سریع تقاضاها در مورد منابع آب شیرین، کمبود آب شیرین بیشتر از قبل احساس می شود؛ مسئله مهمی که در توسعه پایدارِ اقتصادی و اجتماعیِ بسیاری از کشورها تأثیرگذار است. تاکنون اُسمز معکوس (Reverse Osmosis) بهعنوان یکی از اصلی ترین فناوری های تولید آب شیرین از آب های شور و منابع فاضلاب بهطور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، چالش اصلی پیش روی استفاده‌ی گسترده از فناوری RO، بحث رسوب زایی است که منجر به کاهش ظرفیت تولید و افزایش هزینه های بهره برداری می شود؛ بنابراین، تحقیقات بسیاری روی افزایش مقاومت غشای RO در برابر رسوب گذاری یا رسوب متمرکز شده است. این مقاله مروری بر توسعه غشاهای ضدرسوب در سال های اخیر از جمله انتخاب مونومرهای شروع کننده ی جدید، بهبود فرایند پلیمری شدن سطحی، اصلاح سطحی غشای RO متداول توسط روش های فیزیکی و شیمیایی و همچنین غشای RO ترکیبی آلی/معدنی را خواهد داشت. بررسی روند پیشرفت تحقیقات در این مطالعه ممکن است چشم اندازی برای توسعه غشاهای ضد رسوب RO فراهم کند و کاربرد فناوری غشاهای RO در تصفیه‌ی آب را نیز در آینده گسترش دهد.
1. Shannon M.A., Bohn P.W., Menachem Elimelech, John G. Georgiadis, Benito J. Marinas, and Anne M. Mayes. Science and Technology for Water Purification in the Coming Decades. Nanoscience and Technology: A Collection of Reviews from Nature Journals, 337-346, 2010.
2. Subramani A., and Hoek E.MV., Biofilm Formation, Cleaning, Re-formation on Polyamide Composite Membranes. Desalination , 257, 73-79, 2010.
3. Malaeb L., and George M.A., Reverse Osmosis Technology for Water Treatment: State of the Art Review. Desalination , 267, 1-8, 2011.
4. Ruth H.H., Woo Y.C., Mezemir D.M., Chul K.B., Park Kwang-Duck., and Choi June-Seok., Reverse Osmosis Membrane Fabrication and Modification Technologies and Future Trends: a Review. Advances in Colloid and Interface Science 276, 102100, 2020.
5. Dan Li., and Wang H., Recent Developments in Reverse Osmosis Desalination Membranes. Journal of Materials Chemistry , 20, 4551-4566, 2010.
6. Selda E-I., Saffarimiandoab F., Guclu S., Koseoglu-Imer D.Y., Tunaboylu B., Menceloglu Y., Koyuncu I., and Unal S., Surface Modification of Reverse Osmosis Desalination Membranes with Zwitterionic Silane Compounds for Enhanced Organic Fouling Resistance. Industrial & Engineering Chemistry Research , 60 5133-5144, 2021.
7. Quanfu An., Feng Li., Yanli Ji., and Huanlin C., Influence of Polyvinyl Alcohol on the Surface Morphology, Separation and Anti-fouling Performance of the Composite Polyamide Nanofiltration Membranes. Journal of Membrane Science , 367, 158-165, 2011.
8. Dipak R., Kim Y., Matsuura T., and Arafat H.A., Development of Antifouling Thin-film-composite Membranes for Seawater Desalination. Journal of Membrane Science , 367, 110-118, 2011.
9. Lauren F.G., Lawler D.F., Freeman B.D., Marrot Benoit, and Moulin Philippe. Reverse Osmosis Desalination: Water Sources, Technology, and Today's Challenges. Water Research, 43, 2317-2348, 2009.
10. Van W., Elizabeth M., Alyson C.S., Sharma M.M., Young-Hye L., and Benny D.F., Surface modification of Commercial Polyamide Desalination Membranes Using Poly (Ethylene Glycol) Diglycidyl Ether to Enhance Membrane Fouling Rresistance. Journal of Membrane Science, 367, 273-287, 2011.
11. Zhang Y., Ying W., Guoyuan P., Xiangrong W., Yu Li., Hongwei S., and Yiqun L., Preparation of High Performance Polyamide Membrane by Surface Modification Method for Desalination. Journal of Membrane Science, 573, 11-20, 2019.
12. Rana D., and Takeshi M., Surface Modifications for Antifouling Membranes. Chemical Reviews, 110, 2448-2471, 2010.
13. Kwon B., Sangyoup L., Jaeweon C., Hyowon A., Dongjoo L., and Heung S.S., Biodegradability, DBP Formation, and Membrane Fouling Potential of Natural Organic Matter: Characterization and Controllability. Environmental Science & Technology 39, 732-739, 2005
14. Alyson S.C., Elizabeth M., Wagner V., Bryan Hao Ju D.M., Freeman B.D., and Mukul M.S., PEG-coated Reverse Osmosis Membranes: Desalination Properties and Fouling Resistance. Journal of Membrane Science 340, 92-108, 2009.
15. Peng W., Tan K.L., Kang E.T., and Neoh K.G., Plasma-induced Immobilization of Poly (Ethylene Glycol) onto Poly (Vinylidene Fluoride) Microporous Membrane. Journal of Membrane Science 195, 103-114, 2002.
16. Lei Li., Zhang S., Zhang X., and Zheng G., Polyamide thin Film Composite Membranes Prepared from 3, 4′, 5-biphenyl Triacyl Chloride, 3, 3′, 5, 5′-biphenyl Tetraacyl Chloride and M-phenylenediamine. Journal of Membrane Science 289, 258-267, 2007.
17. Jennifer S.L., Pinnau I., Ciobanu I., Ishida K.P., Alvin Ng., and Reinhard M., Effects of Polyether–polyamide Block Copolymer Coating on Performance and Fouling of Reverse Osmosis Membranes. Journal of Membrane Science, 280, 762-770, 2006.
18. Liu Li-F., San-Chuan Y., Yong Z., and Cong-Jie G., Study on a Novel Polyamide-Urea Reverse Osmosis Composite Membrane (ICIC–MPD): I. Preparation and Characterization of ICIC–MPD Membrane. Journal of Membrane Science 281, 88-94, 2006.
19. Kanagaraj P., Ibrahim MA.M., Wei H., and Changkun L., Membrane Fouling Mitigation for Enhanced Water Flux and High Separation of Humic Acid and Copper ion Using Hydrophilic Polyurethane Modified Cellulose Acetate Ultrafiltration Membranes." Reactive and Functional Polymers, 150, 104538, 2020.
20. Etemadi H., Yegani R., and Seyfollahi M., The Effect of Amino Functionalized and Polyethylene Glycol Grafted Nanodiamond on Anti-biofouling Properties of Cellulose Acetate Membrane in Membrane Bioreactor Systems. Separation and Purification Technology 177, 350-362, 2017.
21. Zhang Y., Ying W., Min G., Guoyuan P., Hongwei S., Xuerong Y., and Yiqun L., Surface Modification on Thin-film Composite Reverse Osmosis Membrane by Cation Complexation for Antifouling. Journal of Polymer Research, 26, 1-12, 2019.
22. Wei X., Zhi W., Jing C., Jixiao W., and Shichang W., A Novel Method of Surface Modification on Tthin-film-composite Reverse Osmosis Membrane by Grafting Hydantoin Derivative. Journal of Membrane Science, 346, 152-162, 2010.
23. Wilbert M.C., John P., and Andrew Z., Bench-scale Testing of Surfactant-modified Reverse Osmosis/nanofiltration Membranes. Desalination, 115, 15-32, 1998.
24. Liao Y., Chun-Heng L., Miao T., Rong W., and Anthony G. Fane,. Progress in Electrospun Polymeric Nanofibrous Membranes for Water Ttreatment: Fabrication, Modification and Applications. Progress in Polymer Science, 77, 69-94, 2018.
25. Zhou Y, Sanchuan Y., Congjie G., and Xianshe F., Surface Modification of Thin Film Composite Polyamide Membranes by Electrostatic Self Deposition of Polycations for Improved Fouling Resistance. Separation and Purification Technology, 66, 287-294, 2009.
26. Ba C., and James E., Preparation and Characterization of a Neutrally Charged Antifouling Nanofiltration Membrane by Coating a Layer of Sulfonated Poly (Ether Ether Ketone) on a Positively Charged Nanofiltration Membrane. Journal of Membrane Science 362, 192-201, 2010.
27. Chen Y., Tingjian H., Chunhui J., Tianhaoyue Z., Zexi S., Qibin X., Mengjin J., and Pengqing L., Preparation of Antifouling Poly (Ether Ether Ketone) Hollow Fiber Membrane by Ultraviolet Grafting of Polyethylene Glycol. Materials Today Communications, 27, 102326, 2021.
28. Hachisuka H., and Kenichi I., Composite Reverse Osmosis Membrane Having a Separation Jayer with Polyvinyl Alcohol Coating and Method of Reverse Osmotic Treatment of Water Using the Same. U.S. Patent 6,177,011, Issued January, 23, 2001.
29. Yu S., Zhenhua L., Zhihai C., Xuesong L., Meihong L., and Congjie G., Surface Modification of Thin-film Composite Polyamide Reverse Osmosis Membranes by Coating N-isopropylacrylamide-co-acrylic Acid Copolymers for Improved Membrane Properties. Journal of Membrane Science, 371, 293-306, 2011.
30. Sagle A.C., Elizabeth M., Van W., Hao Ju., Bryan D.M., Benny D., Freeman., and Mukul M Sharma., PEG-coated Reverse Osmosis Membranes: Desalination Properties and Fouling Resistance. Journal of Membrane Science, 340, 92-108, 2009.
31. Belfer S., Purinson Y., and Kedem O., Surface Modification of Commercial Polyamide Reverse Osmosis Membranes by Radical Grafting: An ATR‐FTIR Study. Acta Polymerica, 49, 11, 574-582, 1998.
32. Mankol V., Zhan H., Song Z., Hongyu W., Yunlong Q., Zhi W., and Jixiao W., Sulfonated Reverse Osmosis Membrane Fabricated with Comonomer Having Excellent Scaling and Fouling Resistance. Industrial & Engineering Chemistry Research, 60, 3095-3104, 2021.
33. Kang G., Haijun Y., Zhongnan L., and Yiming C., Surface Modification of a Commercial thin Film Composite Polyamide Reverse Osmosis Membrane by Carbodiimide-Induced Grafting with Poly (Ethylene Glycol) Derivatives. Desalination, 275, 1-3, 252-259, 2011.
34. Zou L., Vidalis I., Steele D., Michelmore A., Low S.P., and Verberk J.Q.J.C., Surface Hydrophilic Modification of RO Membranes by Plasma Polymerization for Low Organic Fouling. Journal of Membrane Science, 369, 420-428, 2011.
35. Yang R., Jingjing X., Gozde O.I., Sze Y.W., and Karen K.G., Surface-tethered Zwitterionic Ultrathin Antifouling Coatings on Reverse Osmosis Membranes by Initiated Chemical Vapor Deposition. Chemistry of Materials, 23, 1263-1272, 2011.
36. Mahdavi H., and Rahimi A., Zwitterion Functionalized Graphene Oxide/polyamide thin Film Nanocomposite Membrane: Towards Improved Anti-fouling Performance for Reverse Osmosis. Desalination, 433, 94-107, 2018.
37. Kulkarni A., Debabrata M., and William N.G., Flux Enhancement by Hydrophilization of thin Film Composite Reverse Osmosis Membranes. Journal of Membrane Science, 114, 39-50, 1996.
38. Lin N.H., Myung-man K., Gregory T.L., and Yoram C., Polymer Surface Nano-structuring of Reverse Osmosis Membranes for Fouling Rresistance and Improved Flux Performance. Journal of Materials Chemistry, 20, 4642-4652, 2010.
39. Jeong B.H., Eric M.H., Yushan Y., Arun S., Xiaofei H., Gil H., Asim K.G., and Anna J., Interfacial Polymerization of thin Film Nanocomposites: a New Concept for Reverse Osmosis Membranes. Journal of Membrane Science, 294, 1-7, 2007.
40. Kang G.d., and Yi-ming C., Development of Antifouling Reverse Osmosis Membranes for Water Treatment: a Review. Water Research, 46, 584-600, 2012.
بررسی راهکارهای ارتقای خواص رئولوژیکی و ضدرسوب غشاهای مورداستفاده در تصفیه‌ی آب
امیر کرمی1
تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران
چکیده
با افزایش سریع تقاضاها در مورد منابع آب شیرین، کمبود آب شیرین بیشتر از قبل احساس میشود؛ مسئله مهمی که در توسعه پایدارِ اقتصادی و اجتماعیِ بسیاری از کشورها تأثیرگذار است. تاکنون اُسمز معکوس (Reverse Osmosis) بهعنوان یکی از اصلیترین فناوریهای تولید آب شیرین از آبهای شور و منابع فاضلاب بهطور گستردهای مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، چالش اصلی پیش روی استفاده‌ی گسترده از فناوری RO، بحث رسوبزایی است که منجر به کاهش ظرفیت تولید و افزایش هزینههای بهرهبرداری میشود؛ بنابراین، تحقیقات بسیاری روی افزایش مقاومت غشای RO در برابر رسوبگذاری یا رسوب متمرکز شده است. این مقاله مروری بر توسعه غشاهای ضدرسوب در سالهای اخیر از جمله انتخاب مونومرهای شروعکنندهی جدید، بهبود فرایند پلیمریشدن سطحی، اصلاح سطحی غشای RO متداول توسط روشهای فیزیکی و شیمیایی و همچنین غشای RO ترکیبی آلی/معدنی را خواهد داشت. بررسی روند پیشرفت تحقیقات در این مطالعه ممکن است چشماندازی برای توسعه غشاهای ضد رسوب RO فراهم کند و کاربرد فناوری غشاهای RO در تصفیه‌ی آب را نیز در آینده گسترش دهد.
کلمات کلیدی: اُسمز معکوس، غشا، خاصیت ضدرسوب، اصلاح سطح، تصفیه آب
[1] پست الکترونیکی مسئول مکاتبات:
A.karami@ippi.ac.ir
1 مقدمه
تا پایان قرن بیستم، جمعیت جهان نسبت به قبل سه برابر شده و پیشبینی میشود طی پنجاه سال آینده، 40 تا 50 درصد دیگرِ همین مقدار افزایش خواهد یافت. این رشد جمعیت، همراه با صنعتی‌شدن و شهرنشینی، منجر به افزایش سریع تقاضا برای آب شیرین میشود. علاوه بر این، برخی از منابع آب شیرین موجود به تدریج بهدلیل فعالیت‌های صنعتی یا انسانی آلوده یا غیرقابلدسترس میشوند. انتظار میرود در دهههای آینده مشکلات مربوط به آب حتی در مناطقی که در حال حاضر غنی از آب در نظر گرفته میشوند، با کمبود آب در سطح جهانی رشد کنند؛ بنابراین، توجه بسیاری از محققان به روشهای مناسب برای بهدستآوردن آب شیرین توسط آب شور، نمکزدایی و استفاده مجدد از آب برای حفظ نسلهای آینده معطوف شده‌است. فناوری اُسمز معکوس (RO) که بیش از نیم قرن توسعه یافته است، عملیاتی صنعتی در نظر گرفته میشود و در حال حاضر بهعنوان روشی امیدوارکننده، مقبولیتی جهانی کسب کرده است [1،2].
RO فرایندی تحت فشار است که به موجب آن غشای نیمهتراوا (بهعنوان مثال غشای RO) اجازه‌ی عبور ترکیبات حل‌شده در آب را نمیدهد، اما اجازه میدهد تا آب از طریق آن عبور کند. اگرچه مفهوم RO برای سالهای طولانی شناخته شده‌است، اما استفاده از RO بهعنوان فرایند جداسازی عملی، فناوری نسبتاً جوانی است. پیشرفت فناوری RO تا حد زیادی به توسعه‌ی غشاهای RO بستگی دارد؛ زیرا غشا نقش اصلی را بازی میکند و تعیینکنندهی کارایی فناوری و اقتصادی فرایند RO است. در واقع، در زمان لوب و سوریاراجان روشی برای ساخت غشاهای استاتسلولزی نامتقارن با شار و جداسازی آب نسبتاً زیاد در اوایل دهه 1960 توسعه یافت. به‌خصوص با اختراع کامپوزیت فیلم نازک (TFC)، غشای پلیآمید آروماتیک از طریق پلیمریشدن بینسطحی تهیه شد. با این تفاسیر، فرایند RO برای هر دو غشا، ممکن و عملی شد. بهطور خاص تحقیقات و استفاده از سامانههای بازیابی انرژی در سالهای اخیر مانند چرخ پیلتون، توربوشارژر و مبدل فشار تا حد زیادی انرژی و هزینههای مصرفی و بهرهبرداری کاهش مییابد و ساخت فناوری RO را رقابتیتر میکند [3،4].
تاکنون، بیشتر غشاهای RO موجود که در بازار تجاری وجود دارد، هنوز از نوع سلولزی نامتقارن (استاتسلولز، تریاستات، دیاستاتسلولز یا ترکیب آنها) و نوع TFC است. غشای RO نامتقارن سلولز با روش وارونگی فاز (Phase Inversion) تهیه میشود، درحالیکه غشای TFC RO با تشکیل یک لایهی پلیآمید آروماتیک متراکم روی بستر ریزمتخلخل مانند پلیسولفون و از طریق فرایند پلیمریشدن بینسطحی ساخته میشود. غشای TFC پلیآمید آروماتیک، در مقایسه با غشای سلولزی، به علت شار بالای آب عبوری و عدم عبور نمک، مقاومت در برابر تراکم فشار، عملکرد مطلوب در دامنهی گسترده دمایی و pH و همچنین ثبات بالاتر در برابر حمله بیولوژیکی بیشتر مورد توجه قرار میگیرد؛ بنابراین امروزه برای ساخت غشای RO، ارجحیت دارد [5،6].
با وجود بسیاری از مزایای آن، یکی از موانع موجود در استفاده‌ی گسترده از غشای RO پلیآمید TFC تمایل به رسوب آن است. رسوب، فرایندی است که در آن مواد معدنی یا ذرات موجود در آب روی سطح غشای RO قرار میگیرند به‌طوریکه باعث کاهش شار عبوری شده و بر کیفیت آب تولید شده تأثیر میگذارد. اگرچه عملکرد غشاهای RO دچار رسوبشده، میتواند تا حدی باشد که با روش تمیز کردن مناسب ترمیم شود، ولی بهطور حتم سختی عملیات را افزایش داده و طول عمر غشا را کاهش میدهد و این به معنی هزینههای بالاتر فرایندی خواهد بود [7].
در نتیجه، تلاشهای زیادی برای کاهش مشکل این مسئله از جمله ترکیب با فرایندهای پیش تصفیه (Pretreatment Processes)، طراحی غشاهای جدید و توسعه غشاهای ضدرسوب انجام شده است. تاکنون، مقالات متعددی در مورد پیشرفتهای خواص ضدرسوب غشاهای RO در چند دهه‌ی گذشته منتشر شده است. در این مقاله، رسوبدهی غشای RO و به دنبال آن بررسی توسعه‌ی فناوری روشهای ضدرسوب در RO از جمله انتخاب مونومرهای شروعکنندهی جدید، بهبود فرایند پلیمریشدن بینسطحی، اصلاح سطح غشای RO و افزودن ذرات معدنی مورد بحث قرار میگیرد. این مقاله، میتواند بهعنوان مرجعی به محققان و تولیدکنندگانی ارائه شود که در حال توسعه غشاهای RO مقاوم در برابر رسوب هستند [8].
2 پدیده‌ی رسوب در غشاهای RO
بهطور عمده چهار نوع ماده رسوبزا در غشای RO وجود دارد:
1. مواد غیرآلی (رسوبات نمکی مانند هیدروکسیدهای فلزی و کربناتها)
2. مواد آلی (مواد آلی طبیعی مانند اسید هیومیک)
3. کلوئیدی (ذرات معلق مانند سیلیس)
4. زیستی (مانند باکتریها و قارچ ها).
بهدلیل اینکه غشاهای RO غیرمتخلخل هستند، تشکیل لایهی رسوب روی سطح غشا، بهعنوان سازوکار غالب رسوب یاد میشود. رسوبکردن در غشای RO رابطهی نزدیکی با برهم‌کنشهای بین سطح غشا و رسوبات دارد. مطالعات قبلی نشان میدهد که خواص شیمیفیزیکی سطح غشای RO مانند آبدوستی، زبری و بار الکترواستاتیک عوامل مهم و مؤثری در رسوبدهی غشا است. علاوه‌بر این، اگر غشای RO دارای مولکولهای با زنجیر بلند و محدود به سطح باشد (مثل پلیمرهای شانهای)، اثر دافعه‌ی استریک (Steric repulsion) عاملی است که باید مورد توجه قرار گیرد [11-9].
اولاً بهطورکلی پذیرفته شده که افزایش آبدوستی، باعث میشود مقاومت در برابر رسوب بالاتری حاصل شود؛ زیرا بسیاری از مواد رسوبزا مانند پروتئین ماهیت آبگریز دارند. لایهای آب خالص بهراحتی روی سطح بسیار آبدوست آن تشکیل میشود که میتواند از جذب رسوبات آبگریز روی سطح غشا جلوگیری کند و در نتیجه رسوب را کاهش میدهد. طرحواره این سازوکار در شکل (1-الف) نشان داده شده‌است. در حقیقت، مطالعات بیشماری برای افزایش آبدوستی سطح غشا با هدف بهبود عملکرد ضدرسوب انجام شده است. با این حال، باید توجه داشت که آبدوستی سطح غشا ممکن است تأثیر منفی بر مقاومت در برابر رسوبگذاری اجزای آبدوست بهعنوان عامل ایجاد رسوب داشته باشد [12،13]. ثانیاً انتظار میرود غشای دارای سطح صاف، احتمال رسوبزدگی کمتری داشته باشد و این احتمال وجود دارد که عوامل ایجاد رسوب، بیشتر توسط توپولوژیهای ناهموار و زبر در مقایسه با سطوح غشایی صافتر جذب شوند. اِلیمک و دیگر همکاران، نقش مورفولوژی سطح غشا را در رسوب کلوئیدی استاتسلولز و TFC پلیآمید آروماتیک بررسی کردند. نتایج نشان داد، بهطور قابل توجهی میزان رسوب بالاتری برای غشاهای TFC پلیآمید در مقایسه با غشاهای استاتسلولز حاصل خواهد شد. نرخ رسوب بالاتر برای غشاهای RO پلیآمید آروماتیک TFC به زبری سطح بزرگتر آن نسبت داده شد. مطالعات دیگر نیز نشان داد که زبری سطح با رسوب کلوئیدی غشاهای RO ارتباط مستقیم دارد. در نتیجه، کاهش زبری سطح میتواند خاصیت ضدرسوب غشای RO را بهبود بخشد (با این حال، ناهمواری سطح غشا ممکن است به ضرر شار عبوری از غشا باشد) [14،13]. ثالثاً بار سطحی نیز عامل مهم و تأثیرگذاری بر رسوبگذاری غشا است. درک این مسئله برای ما آسان است که اگر نیروی دافعه‌ی الکترواستاتیک و نه جاذبه، بین سطح غشا و عامل رسوب در محلول خوراک ایجاد شود برای کاهش رسوب غشا، مزیت محسوب خواهد شد. این امر در شکل (1-ب) نشان داده شده‌است. به‌عبارت دیگر غشاهای RO ضد رسوب (Anti-fouling) بایستی با توجه مشخصهی الکترواستاتیک عامل رسوب، در شرایط عملی توسعه پیدا کنند. بهطور مثال برای غشاهای RO استاتسلولز و پلیآمید آروماتیک با بار منفی، هر دو آنها را بهطور جداگانه در معرض آبهای حاوی سورفکتانت کاتیونی و سورفکتانت آنیونی قرار دادند. این غشاها بهراحتی توسط مواد با بارهای مخالف رسوب کردند. بر این اساس شرکت Hydranautics، مجموعهای از غشاهای کامپوزیتی ROبا رسوب کم (LFC) با سطوح متفاوت مانندLFC-1 ، LFC-2 و LFC-3 را طراحی کرده است. در مقایسه با غشای RO با بار منفی معمولی، LFC-1 و LFC-3 بار خنثی دارند در حالی که LFC-2 بار مثبت دارد. با این حال، همان‌طور که در بالا نیز ذکر شد، برای استفاده از غشاهای اُسمز معکوس کامپوزیتی با رسوب کم (LFC RO) باید خصوصیات بارِ عامل رسوب هدف را در آب تغذیه در نظر بگیرند. برای همین است که گفته میشود هیچ یک از آنها نمیتوانند در همه‌ی مواقع استفاده شود [15].
شکل 1 طرحواره سازوکارهای ضدرسوب: (الف) لایه آب خالص، (ب) دافعه الکترواستاتیک و ج) دافعه استریک [15].
سرانجام برخی از نتایج تحقیقات قبلی نشان داد که مولکولهای آبدوست با طول زنجیر بلند متصل به سطح، در پیشگیری جذب ماکرومولکولها مانند پروتئین روی سطح غشا ناشی از سازوکار دفع استریک بسیار مؤثر بودند. وقتی زنجیرهای پلیمری آبدوست پیوند زده میشوند یا روی سطح غشای آنها ایجاد میشود، این لایه آبدوست نفوذ کرده از طریق دافعه استریک به پروتئینهای آبگریزی که به سطح غشا میرسند، اعمال میشود. این سازوکار در شکل (1-ج) نشان داده شده‌است. دافعه‌ی استریک بهدلیل از دستدادن آنتروپی ناشی از محدودیت حجم یا دافعه اُسمزی بین لایه‌های پلیمری است که با هم هم‌پوشانی دارند. استفاده از پلیمر شانهای بهمنظور کاهش رسوب غشایی در میکروفیلتراسیون (MF) و اولترافیلتراسیون (UF) نسبتاً رایج است، اما در نانوفیلتراسیون (NF) و اُسمز معکوس نادر است. علاوه‌بر این، اثر آن تحت تأثیر چگالی، طول و نظم زنجیرهای پیوندی است. بدین ترتیب باید کارهای بیشتری در این زمینه انجام شود [15،14،11].
درک سازوکار رسوبزدایی میتواند در توسعه‌ی غشاهای ضدرسوب کمک کند. در ادامه، بررسی روند پیشرفت روشهای توسعه مورد بازبینی قرار میگیرد. بیشتر تحقیقات برپایه‌ی مباحث ذکرشده مثل معرفی لایهی آبدوست، کاهش زبری سطح، بهبود خاصیت بار الکترواستاتیک و استفاده از اثر دافعه‌ی استریک انجام شده است.
3 توسعه مواد RO جدید یا بهبود فرایند پلیمریشدن بینسطحی
3-1 انتخاب پلیمریشدن بینسطحی جدید مونومرها
در میان مونومرهای فعال مورد استفاده برای تشکیل لایهی فعال پلیآمید در غشای RO، m- فنیلندیآمین (MPD) و تریمزویلکلراید (TMC) در گذشته و حال بیشتر رایج هستند. در واقع، بسیاری از غشاهای RO با تطبیق شرایط پلیمریشدن بینسطحی از MPD و TMC تولید میشوند. شکل (2) لایهی متراکم غشای RO پلیآمیدی برپایه‌ی TMC و MPD از طریق پلیمریشدن بینسطحی را نشان میدهد.
شکل 2 لایهی پلیآمید RO بهدست آمده از MPD و TMC از طریق پلیمریشدن بینسطحی [16].
با این حال، محققان هرگز برای یافتن سطح جدیدی از مونومرهای پلیمریشدن برای بهبود عملکرد غشای مقاوم در برابر رسوب متوقف نمیشوند. مونومرهای شروعکننده جدید معمولاً شامل گروههای عاملدار یا قطبی بیشتری هستند؛ بنابراین غشای ROتهیه‌شده سطح نرمتر یا آبدوستی بهتری را از خود نشان میدهد که برای بهبود ویژگی ضد رسوب ماده سودمند خواهد بود. ساختار مونومرها یا اصلاحکنندههای مورد مطالعه در تحقیقات قبلی در جدول (1) ذکر شده‌است [17،16].
3-2 بهبود فرایند پلیمریشدن بینسطحی
علاوه‌بر کشف مونومرهای جدید، برخی تحقیقات نیز در مورد بهبود فرایند پلیمریشدن بینسطحی نیز وجود دارد. بهطور مشابه، هدف این مفهوم برای بهبود ویژگیهای سطح غشا، مانند افزایش آبدوستی، کاهش زبری و معرفی پلیمرهای شانهای است. از این رو، خاصیت ضدرسوب غشاهای RO تهیه‌شده را افزایش میدهد. روش اول، افزودن اصلاحکنندههای فعال آلی به محلول TMC یا MPD است. اصلاحکنندهها میتوانند در طی فرایند پلیمریشدن بینسطحی، در واکنش شرکت کنند و وارد لایهی با عملکرد ممانعت شوند، تا بتواند ویژگی سطح و مقاومت در برابر رسوب غشاهای RO حاصل را بهبود بخشد. به عنوان مثال رانا و همکاران [12]، 4،4- متیلن بیس (فنیل ایزوسیانات) (MDI) و PEG (متوسط وزن مولکولی 200 و 1000) را به فاز آلی حاوی TMC در پلیمریشدن سطحی اضافه کردند تا درشت مولکولهای آبدوست اصلاحکننده سطح (iLSMM) را به غشاهای TFC ترکیب کنند.
جدول 1 خلاصه ساختار مونومرها یا اصلاحکنندههای موجود در مطالعات پیشین.
مونومر و اصلاحکننده | ساختار | مرجع |
5،4،3- بیفنیلتریاسیلکلرید |
| [16] |
5،5،3،3- بیفنیل تترااسیلکلرید |
| [16] |
5-ایزوسیاناتو-ایزوفتالوئیلکلرید (ICIC) |
| [18] |
4،4-متیلن بیس (فنیل ایزوسیانات) (MDI) |
| [19،8] |
پلیاتیلنگلیکول (PEG) |
| [8،20] |
مونومتیل اتر آمینو پلیاتیلنگلیکول |
| [21] |
3-مونومتیلول -5،5-دی متیل هیدانتوئین |
| [22] |
سورفکتانت پلیاتیلناکسید سری T-X |
| [24،23] |
سورفکتانت پلیاتیلناکسید سری P |
| [23] |
پلیاتیلنایمین (PEI) |
| [25] |
سولفوناته پلی (اتر اتر کتون) (SPEEK) |
| [27،26] |
پلیوینیلالکل (PVA) |
| [28] |
PEBAX_ 1657 |
| [17] |
پلی (ایزوپروپیلآکریلامید- اکریلیکاسید) |
| [29] |
دیاکریلاتپلی(اتیلن گلیکول) (PEGDA) |
| [30] |
اکریلاتپلی(اتیلنگلیکول) اکریلات (PEGA) |
| [30] |
2-هیدروکسیاتیلاکریلات (HEA) |
| [30] |
اسیداکریلیک (AA) |
| [30] |
اسیدمتاکریلیک (MA) |
| [31] |
پلیاتیلنگلیکول متاکریلات (PEGMA) |
| [31] |
3-سولفوپروپیل متاکریلات (SPM) |
| [31] |
وینیلسولفونیکاسید (VSA) |
| [32،31] |
اسید 2-آکریل آمیدو-2-متیل پروپان-سولفونیک (AMPS) |
| [31] |
3-آلیل-5،5-دیمتیل هیدنتوئین (ADMH) |
| [22] |
پلی (اتیلنگلیکول) دیگلایسیدیل اتر (PEGDE) |
| [10] |
مشتق پلی(اتیلنگلیکول) |
| [33] |
تریمتیلنگلیکول دیمتیلاتر (تریگلیم) |
| [34] |
اصلاحکننده Zwitterionic |
| [35،36] |
جدا از روش بالا کانگ و همکارانش [33]، ایده دیگری ارائه دادند. همان‌طور که می‌دانیم، غشای TFC پلیآمیدی RO از TMC و MPD تهیه‌شده به روش پلیمریشدن سطحی، معمولاً حاوی گروههای اسید کربوکسیلیک در سطح است که از آبکافت گروههای آسیلکلرید غیر واکنشی تهیه شده‌است. به عبارت دیگر، سطح غشای جدید پلیآمید RO دارای گروههای آسیلهالید بیشماری است. بر همین اساس، گروههای فعال آسیلکلرید، روش اصلاح سطح جدید در غشای پلیآمید RO با اتصال شیمیایی ساخته شد که در شکل (3) خلاصه شده‌است. نوعی پلیمر آبدوست (آمینو پلیاتیلن گلیکول مونومتیل اتر، MPEG-NH2) بهعنوان اصلاحکننده روی سطح غشا بهمنظور بهبود خاصیت ضدرسوب پیوند زده شد. غشای ROآماده شده بهدلیل اثر افزایش آبدوستی و دافعه‌ی استریک، مقاومت نسبتاً بهتری در برابر رسوب به نمایش میگذارد. با این حال، از آنجا که اصلاحکننده ماکرومولکولی دارای فعالیت کمتری بود، سطح غشای حاصل کاملاً پوشیده نشده و زبری بیشتری داشت که مطلوب نبود [8،12].
شکل 3 اصلاح سطح غشای RO پلیآمیدی نوظهور برپایه‌ی گروههای آسیلکلرید واکنش داده نشده روی سطح [8].
چندی بعد وِی و همکاران [22]، از همان روش برای پیوند مشتق هیدانتوین با مولکول کوچک‌تر، 3-مونومتیلول-5،5- دیمتیل هیدنتوئین (MDMH)، روی سطح غشای RO نوظهور استفاده کرد. از طریق اصلاح، آبدوستی سطح غشاء با کاهش زاویه تماس از 7/57 به 4/50 - 5/31 به وضوح افزایش یافت، بدون اینکه تغییر واضحی در زبری سطح اتفاق بیفتد. نتایج آزمون با استفاده از اشرشیا کُلای (Escherichia coli) بهعنوان ریزاندامواره عامل رسوب، پیشگیری اساسی از غشاهای اصلاح‌شده در جهت مقاومت به رسوب زیستی را تأیید کرد. همچنین، شایان گفتن است که غشای MDMH-RO اصلاح‌شده، دارای مقاومت به کلرینه شدن بالایی است؛ بنابراین بهعنوان نوع جدیدی از غشای RO مقاوم به کلر و ضد رسوب زیستی ارائه شد [22].
4 اصلاح سطح غشاهای ROمرسوم
اصلاح سطح غشاهای موجود نیز بهعنوان مسیر بالقوه و مؤثری برای ایجاد خاصیت ضدرسوب در غشاها در نظر گرفته شده‌است؛ بنابراین تاکنون مقالات زیادی در رابطه با اصلاح سطحی غشاهای RO مرسوم به بحث افزایش توانایی ضدرسوب، بهبود مورفولوژی و خصوصیات سطح پرداخته است. اصلاح سطح در این رویکرد از روشهای فیزیکی تا شیمیایی متغیر است.
4-1 روش فیزیکی
4-1-1 جذب سطحی
جذب فیزیکی ابزاری ساده برای اصلاح و ساختار سطوح پلیمری است. برخی از محققان این روش را برای اصلاح خصوصیات سطحی فیلتراسیون غشاهای آب تصویب کردند. بهعنوان مثال ویلبرت و همکارانش [23]، مجموعهای از سورفکتانتهای همگن پلیاتیلناکسید (سری T-X و سری P) را برای اصلاح سطح غشای مخلوط استاتسلولز و پلیآمید استفاده کردند. جذب سطحی که در آن بخش آبگریز سورفکتانت انرژی جاذبه برای سطح پلیمری دارد، در مشخصات سطح غشا تغییر ایجاد میکند. آزمایشها نشان داد که زبری غشای پلیآمید RO پس از تصفیه کاهش یافته است و خاصیت ضدرسوب در محلول آبگوشت سبزیجات در مقایسه با غشای اصلاحنشده بهبود یافته است. با این حال، نتایج غشای RO استاتسلولز بینتیجه بود.
علاوه‌بر سورفکتانتها، پلیالکترولیتهای شارژشده نیز برای اصلاح سطح غشایRO استفاده میشود. ژو و همکارانش [25]، غشای پلیآمید RO را توسط الکترواستاتیک خود مونتاژ پلیاتیلنایمین (PEI) در سطح غشا، اصلاح کردند. تغییر شارژ سطح غشا بهدلیل استفاده از لایهی PEI نشان داده شد که مقاومت به رسوب در برابر رسوبات کاتیونی را افزایش میدهد که این امر به دلیل دافعه الکترواستاتیک پیشرفته است که مانند اثر افزایش آبدوستی سطح است.
2-1-4 پوششدهی سطح
پوششدهی سطح، روشی مناسب و کارآمد برای اصلاح سطح غشاهاست و بهطور گسترده برای خواص سطحی غشاهای RO مرسوم و رایج اتخاذ شده است. در این روش، غشاهای RO نمیتوانند فقط با استفاده از پلیمرهای نامحلول در آب (تجاری یا مصنوعیِ ساخته‌شده) بهطور مستقیم پوشش داده شوند، بلکه با مولکولهای محلول در آب پوشش داده شده‌است و به دنبال آن پیوند متقابل ایجاد میشود تا آنها را در آب نامحلول کند. در اینجا، پوشش بهعنوان لایه محافظ برای کاهش یا از بین بردن جذب رسوبات روی غشا و فرایندهای غشایی عمل میکند. پوششدهی سطح ساده است و به راحتی کنترل میشود؛ بنابراین مورد توجه بسیاری از محققان و تولیدکنندگان غشا قرار گرفته است [17].
لوئی و همکارانش [17]، مطالعه‌ی دیگری را روی پوشش فیزیکی غشاهای تجاری RO پلیآمید با PEBAX 1657 که کوپلیمر بلوکی بسیار آبدوستی از نایلون-6 و پلیاتیلنگلیکول است، انجام دادند. پوشش تا حد زیادی زبری سطح را کاهش داده بدون اینکه تغییر قابل‌توجهی در زاویه‌ی تماس ایجاد کند. در طول آزمایش رسوب طولانیمدت (106 روز) با امولسیون روغن/ سورفکتانت/ آب، میزان کاهش شار برای غشاهای بدون پوشش کندتر است. با این حال، پوشش منجر به کاهش شار آب به‌ویژه برای غشاهای RO با شار بالا (ESPA1 و ESPA3) بود.
اخیراً، نویسندگان بهطور مرتب اثرات شرایط فرایند پوششدهی سطح در نفوذ آب و خواص دفع نمک را بهمنظور افزایش یا بازیابی شار آب غشای RO پوشش داده شده بررسی کردهاند.
2-4 روش شیمیایی
1-2-4 ایجاد خاصیت آبدوستی
همان‌طور که در بالا گفته شد، آبدوست کردن سطح غشا برای افزایش مقاومت در برابر رسوب سودمند است، زیرا بسیاری از رسوبات ماهیتی آبگریز دارند. کولکامی و همکارانش [37]، با برخی از مواد آبدوستساز از جمله هیدروفلوئوریک، اسیدهای کلریدریک، سولفوریک، فسفر و نیتریک، غشاهای TFC RO را اصلاح کردند. در قسمتهای قابل حل در امتداد زنجیره پلیآمید، اندازهگیری زاویه نشان داد که واکنشها باعث آبکافت جزئی بخشهای آبدوست NH2 و COOH شده‌است. خصوصیات سطح، افزایش آبدوست بودن سطح غشا بعد از اصلاح را نشان داد. روش پیشنهادی بسیار ساده و آسان انجام شد. با این حال، غلظت اسید و زمان قرار گرفتن در معرض آن باید به‌خوبی کنترل شود تا از تخریب آن جلوگیری شود؛ زیرا ساختارهای پلیمری، منجر به کاهش عبور نمک میشود. علاوه‌بر این، خاصیت ضد رسوب غشای RO اصلاح‌شده در مطالعه‌ی آنها بررسی نشده‌است.
2-2-4 پیوند رادیکالی
پیوند رادیکالی، روشی مؤثر برای اصلاح پلیمر است. در این فرایند، برای تحقق اصلاح مواد غشایی رادیکالهای آزاد از آغازگرها تولید میشوند و به پلیمر منتقل میشوند تا با مونومر واکنش نشان دهد. بهطورکلی محل پیوند پیشنهادی برای زنجیر پلیآمید در پیوند آمید، هیدروژن است.
وی و همکارانش [22]، مطالعهای در رابطه با ایجاد پیوند رادیکالی انجام داد. با این وجود، ماده‌ی آغازگر در مطالعه‌ی آنها 2،2-آزوبیس (ایزوبوتیرامیدین) دیهیدروکلرید (AIBA) بود که میتواند با ایجاد حرارت تجزیه شده و رادیکالهای آزاد تولید کند. در مطالعه‌ی آنها، 3-آلیل-5،5-دیمتیل هیدنتوئین (ADMH) بود که بهعنوان مونومر عامل پیوند استفاده شد. بهطور مشابه، پیوند ADMH غشاهای RO از زاویه تماس کمتری برخوردار بودند که نشاندهندهی افزایش آبدوستی سطح است. پس از قرار گرفتن در معرض تعلیق سلول میکروبی، غشای اصلاح شده کاهش کمی در شار آب خالص و جذب کمتری از تجمعات میکروبی در سطح داشت که درنتیجه بهبود خواص ضد رسوب زیستی را در پی داشت. طرحواره این پیوند رادیکالی را میتوان در شکل (4) مشاهده کرد.
شکل4 اصلاح سطح غشاء RO پلیآمید از طریق پیوند رادیکالی [22].
3-2-4 اتصال شیمیایی
سطح غشای پلیآمید RO رایج، کربوکسیلیک اسید و گروههای آمین اولیه (در انتهای زنجیر) است. این گروههای نسبتاً فعال، امکان اصلاح سطح از طریق واکنش شیمیایی یا کوپلینگ را دارند. برخی از تحقیقات بر همین اساس، برای بهبود خواص سطح غشا و سایر عملکردها انجام شده‌است.
ون واگنر و همکارانش [10]، غشای پلیآمید RO تجاری را بر اساس واکنش گروههای آمین اولیه با گروههای انتهایی اپوکسی پلی(اتیلن گلیکول) دیگلیسیدیل اتر (PEGDE) اصلاح کردند. با اينكه غشاها پس از اصلاحات، حداقل تغییرات را تجربه کردند؛ اما بهطورکلی در ویژگیهای سطح آنها (مثل بار سطحی، آبدوستی و زبری)، مقاومت در برابر رسوب مواد فعال سطحی باردار و امولسیونها را نشان میدهند. علاوه بر این، آنها دریافتند که وزن مولکولی PEGDE تأثیر بیشتری نسبت به غلظت PEGDE در مقاومت به رسوب غشاء دارد. اصلاح غشاء RO با غلظتهای پایینتر (یعنی کمتر از 1% وزنی) از وزن مولکولی بالاتر (مثل بیشتر از 1000) PEGDE ممکن است برای بهینهسازی و ایجاد تعادل بین شار آب و مقاومت در برابر رسوب مناسب باشد. بهطور مشابه کانگ و همکارانش [33]، برای اصلاح غشاهای پلیآمید RO با استفاده از نوع گلیسیدیل مواد و غشا، نتایج حاصل بهتری در مقاومت در برابر رسوب نشان داد. شکل (5) طرحواره اصلاح سطح غشای پلیآمید RO براساس واکنش شیمیایی بین گروههای آمین اولیه و اصلاحکنندهی اپوکسی را نشان میدهد.
شکل 5 اصلاح سطح غشای پلیآمید RO بر اساس واکنش شیمیایی بین گروههای آمین اولیه و اصلاحکنندههای اپوکسی [33].
علاوه‌بر این، آنها روش تغییر سطح مختلف پلیآمید RO بر اساس گروه اسیدهای کربوکسیلیک موجود در سطح با کمک کربودیایمید توسعه دادند. کربودیایمید، واکنشدهنده‌ی جفتکننده برای فعالکردن گروههای اسید کربوکسیلیک است و باعث افزایش واکنش اصلاح میشوند. روند پیوند مشتقات PEG روی غشای پلیآمید RO در شکل (6) نشان داده شده‌است [33].
شکل 6 اصلاح سطحی غشای پلیآمید RO توسط پیوند ناشی از کربودیایمید با مشتقات PEG [33].
4-2-4 پلیمریشدن پلاسما یا پلیمریشدن از طریق القای پلاسما
اصلاح از طریق پلاسما روشی برای بهبود خواص سطح مواد پلیمری برای اصلاح سطح است. این روش شامل پلیمریشدن پلاسما یا پلیمریشدن از طریق القای پلاسما است. پلیمریشدن پلاسما یک مرحله است و از پلاسما برای رسوب پلیمر روی سطوح غشا استفاده میشود. پلاسما برای فعالسازی سطح بهمنظور تولید گروههای اکسید یا هیدروکسید است که میتواند در روشهای پلیمریشدن (فرایند دو مرحله‌ای) رایج استفاده شود. تاکنون، از درمان با پلاسما روی انواع مواد از جمله اصلاح سطح غشاهای TFC RO استفاده شده است.
علاوه‌بر این، لین و همکارانش [38]، مطالعهای در رابطه با نانوساختار سطح غشاهای RO از طریق پلیمریشدن ناشی از پلاسما برای مقاومت در برابر رسوب و بهبود عملکرد شار ارائه دادند. این روند اصلاح سطح در شکل (7) خلاصه شده‌است.
شکل 7 اصلاح غشای پلیآمید RO از طریق فعالسازی سطح ناشی از پلاسما و پیوند سطح [38].
5 آمادهسازی غشاهای ترکیبی ROبا ذرات معدنی
به غیر از اصلاحکنندههای آلی، اختلاط ذرات معدنی در مقیاس نانو به غشا، پیشرفت مهمی در غشای ضدرسوب RO است. این فرایند ترکیبی از پلیمرها (عملکرد بالا در نمکزدایی، انعطافپذیری و سهولت تولید) با عملکردهای منحصربه‌فرد مولکولی (آبدوستی قابل تنظیم، تراکم بار، ساختار دارای منفذ و قابلیت ضدمیکروبی همراه با پایداری شیمیایی و حرارتی و مکانیکی بهتر) از جمله خواص مهم غشای رایج است. غشاهای ترکیبی ارگانیک/معدنی را میتوان با پوشش مستقیم ذرات معدنی روی سطح غشا یا ترکیب ذرات معدنی از طریق فرایند پلیمریشدن بینسطحی در ساختار غشا تهیه کرد. ذرات غیرآلی که معمولاً مورد استفاده قرار میگیرند شامل TiO2 ، SiO2 ، Zeolite A و نانوذرات نقره و همچنین مواد شبه متخلخل هستند [40].
روش دیگر برای تهیهی غشای RO هیبریدی آلی/غیرآلی، افزودن ذرات معدنی نانوساختار در فاز TMC یا فاز MPD برای پخش آنها در ساختار غشایی از طریق فرایند پلیمریشدن سطحی است. این ایده مشابه مطالعه روی اصلاحکنندههای آلی ذکرشده در بخش (3-2) است. جئونگ و همکاران [39]، روشی را برای تهیه نانوکامپوزیت لایه نازک (TFN) گزارش دادند. غشای پلیآمید RO همان‌طور که در شکل (8) نشان داده شده است، توسط نانوذرات زئولیت A با درصد وزنی بین 4/0-004/0 در محلول TMC سنتز شده‌است (اندازه‌ی ذرات از 50 نانومتر تا 150 نانومتر متغیر است). پراکنش نانوذرات بلافاصله قبل از پلیمریشدن بینسطحی با استفاده از فراصوت به مدت زمان 1 ساعت در دمای اتاق بهدست آمد.
شکل 8 تصویر مفهومی (الف) ساختارهای غشایی TFC و (ب) TFN [39].
6 نتیجهگیری
توسعه مباحث مربوط به خاصیت ضدرسوب در غشاهای مورد استفاده در تصفیه آب، تحقیق و بررسی مهم در جهت بهبود و اثربخشی فناوری RO بهمنظور تصفیه آب است و در سالهای اخیر توجه گستردهای را به خود جلب کرده است. در این مقاله، پیشرفتهای اخیر در این زمینه بررسی شده‌است. روشهای توسعه، به اصلاح سطح غشاهای RO مرسوم، بهبود فرایند پلیمریشدن بینسطحی و بهرهبرداری از غشاهای RO جدید وابسته است که از جمله مباحث موجود در این مقاله بود. اصلاح سطح، روشی موثر برای بهبود خواص سطح غشا و درنتیجه بهبود عملکرد مقاوم به رسوب است. جدا از رویکردها و اصلاحکنندههای آبدوست که در بالا بیان شد، برخی از روشهای دیگر مانند روش پلیمریشدن رادیکالی انتقال اتم (ATRP) و سایر اصلاحکنندهها مانند شارژ مواد zwitterionic نیز بالقوه بهمنظور تولید غشاهای ضدرسوب RO هستند. با این حال، اصلاح سطحی به روش فیزیکی یا روش شیمیایی، معمولاً منجر به زوال شار آب میشود. مسئله کاهش شار و خاصیت ضدرسوب باید بهینه و متعادل باشد. علاوه بر این، اصلاح پس از ساخت سطح غشای RO باعث افزایش مشکلات تولید یا به افزایش هزینه عملیات منجر میشود. روشی که به موجب آن مقاومت رسوب غشا افزایش مییابد را میتوان درجا افزایش داد (به عنوان مثال، در مراحل روند آمادهسازی) که از نظر عملی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. غشاها راهکار جدیدی در جهت توسعه فناوری RO هستند. غشاهای RO ترکیبی آلی/ معدنی خواص جذابی مانند نفوذپذیری، ضدرسوب و خود تمیزکنندگی نشان میدهند که آنها را در استفادههای تجاری بسیار امیدوارکننده کرده است. درحقیقت، غشاهای نانو کامپوزیتی RO که صنعتی شدهاند در حال حاضر در بازار وجود دارند و ممکن است در آینده بهطور گسترده مورد استفاده قرار گیرد.
با وجود دستاوردها، هنوز برخی مسائل یا چالشها پیش روی غشاهای ضدرسوب وجود دارد. اولاً، بسیاری از روشهای در حال توسعه محدود به تحقیقات علمی است و در حال حاضر به دلیل هزینه بالا، روشهای عملیاتی پیچیده یا مشکل طراحی در مقیاس بزرگ (Scaling up)، فقط تعداد کمی از این روشها برای استفاده تجاری آماده هستند. ثانیاً، باید توجه بیشتری به مطالعات در رابطه با رسوب در مدت زمانهای طولانی شود. پایداری اصلاحکنندهها نیز باید طبق کاربرد واقعی آنها تأیید شود. در واقع، پیشرفت خاصیت ضدرسوب از طریق برخی تغییرات فیزیکی، مانند جذب سطحی یا حتی پوشش سطح، ممکن است بهراحتی در عملکردهای طولانی مدت و از بین رفتن اصلاحکنندهها بدتر شود. بهطور کلی، پیوند کووالانسی شیمیایی بین غشا و اصلاحکننده از فیزیکی بهتر است و کاربرد عملی بهتری دارد. با این حال، معمولاً در روش اصلاح شیمیایی، تجهیزات یا عوامل شیمیایی مورد نیاز است. همین امر باعث افزایش هزینهی تولید یا آلودگی محیط زیست میشود. ثالثاً، مطالعات اندکی بر پایداری و خودتمیزشوندگی اصلاحکنندههای سطح متمرکز شده‌است. درواقع، تمیزشوندگی فرایندی ضروری در استفاده از غشای RO است. اسید و بازها یا تمیزکنندههای دیگر محیط ممکن است باعث تخریب اصلاحکنندهها شود که این امر بایستی در کاربرد عملی مورد توجه قرار گیرد.
آخرین مورد، اما نه کماهمیت، این است که حتی برای غشای ضدرسوب، ایجاد رسوب کاملاً قابل جلوگیری نیست. هیچ غشایی وجود ندارد که تحت هر شرایطی از رسوبزدگی عاری باشد. همچنین، انتخاب و استفاده از غشای RO باید بر اساس مشخصهی رسوب موجود در محلول تغذیه باشد. علاوه بر این، برخی اقدامات دیگر مانند بهینهسازی در طراحی مدول، پیشتصفیه مناسب و تمیز کردن موثر غشا نیز مورد نیاز است.
مراجع
1. Shannon, Mark A., Paul W. Bohn, Menachem Elimelech, John G. Georgiadis, Benito J. Marinas, and Anne M. Mayes. "Science and technology for water purification in the coming decades." Nanoscience and technology: a collection of reviews from nature Journals, 337-346, 2010.
2. Subramani, Arun, and Eric MV Hoek. "Biofilm formation, cleaning, re-formation on polyamide composite membranes." Desalination 257, no. 1-3 (2010): 73-79.
3. Malaeb, Lilian, and George M. Ayoub. "Reverse osmosis technology for water treatment: state of the art review." Desalination 267, no. 1 (2011): 1-8.
4. Hailemariam, Ruth Habte, Yun Chul Woo, Mekdimu Mezemir Damtie, Bong Chul Kim, Kwang-Duck Park, and June-Seok Choi. "Reverse osmosis membrane fabrication and modification technologies and future trends: a review." Advances in colloid and interface science 276 (2020): 102100.
5. Li, Dan, and Huanting Wang. "Recent developments in reverse osmosis desalination membranes." Journal of Materials Chemistry 20, no. 22 (2010): 4551-4566.
6. Erkoc-Ilter, Selda, Farzin Saffarimiandoab, Serkan Guclu, Derya Y. Koseoglu-Imer, Bahadir Tunaboylu, Yusuf Menceloglu, Ismail Koyuncu, and Serkan Unal. "Surface modification of reverse osmosis desalination membranes with zwitterionic silane compounds for enhanced organic fouling resistance." Industrial & Engineering Chemistry Research 60, no. 14 (2021): 5133-5144.
7. An, Quanfu, Feng Li, Yanli Ji, and Huanlin Chen. "Influence of polyvinyl alcohol on the surface morphology, separation and anti-fouling performance of the composite polyamide nanofiltration membranes." Journal of Membrane Science 367, no. 1-2 (2011): 158-165.
8. Rana, Dipak, Yekyung Kim, Takeshi Matsuura, and Hassan A. Arafat. "Development of antifouling thin-film-composite membranes for seawater desalination." Journal of Membrane Science 367, no. 1-2 (2011): 110-118.
9. Greenlee, Lauren F., Desmond F. Lawler, Benny D. Freeman, Benoit Marrot, and Philippe Moulin. "Reverse osmosis desalination: water sources, technology, and today's challenges." Water research 43, no. 9 (2009): 2317-2348.
10. Van Wagner, Elizabeth M., Alyson C. Sagle, Mukul M. Sharma, Young-Hye La, and Benny D. Freeman. "Surface modification of commercial polyamide desalination membranes using poly (ethylene glycol) diglycidyl ether to enhance membrane fouling resistance." Journal of Membrane Science 367, no. 1-2 (2011): 273-287.
11. Zhang, Yang, Ying Wan, Guoyuan Pan, Xiangrong Wei, Yu Li, Hongwei Shi, and Yiqun Liu. "Preparation of high performance polyamide membrane by surface modification method for desalination." Journal of Membrane Science 573 (2019): 11-20.
12. Rana, Dipak, and Takeshi Matsuura. "Surface modifications for antifouling membranes." Chemical reviews 110, no. 4 (2010): 2448-2471.
13. Kwon, Boksoon, Sangyoup Lee, Jaeweon Cho, Hyowon Ahn, Dongjoo Lee, and Heung Sup Shin. "Biodegradability, DBP formation, and membrane fouling potential of natural organic matter: Characterization and controllability." Environmental science & technology 39, no. 3 (2005): 732-739.
14. Sagle, Alyson C., Elizabeth M. Van Wagner, Hao Ju, Bryan D. McCloskey, Benny D. Freeman, and Mukul M. Sharma. "PEG-coated reverse osmosis membranes: desalination properties and fouling resistance." Journal of Membrane Science 340, no. 1-2 (2009): 92-108.
15. Wang, Peng, K. L. Tan, E. T. Kang, and K. G. Neoh. "Plasma-induced immobilization of poly (ethylene glycol) onto poly (vinylidene fluoride) microporous membrane." Journal of membrane science 195, no. 1 (2002): 103-114.
16. Li, Lei, Suobo Zhang, Xiaosha Zhang, and Guodong Zheng. "Polyamide thin film composite membranes prepared from 3, 4′, 5-biphenyl triacyl chloride, 3, 3′, 5, 5′-biphenyl tetraacyl chloride and m-phenylenediamine." Journal of Membrane Science 289, no. 1-2 (2007): 258-267.
17. Louie, Jennifer S., Ingo Pinnau, Isabelle Ciobanu, Kenneth P. Ishida, Alvin Ng, and Martin Reinhard. "Effects of polyether–polyamide block copolymer coating on performance and fouling of reverse osmosis membranes." Journal of Membrane Science 280, no. 1-2 (2006): 762-770.
18. Liu, Li-Fen, San-Chuan Yu, Yong Zhou, and Cong-Jie Gao. "Study on a novel polyamide-urea reverse osmosis composite membrane (ICIC–MPD): I. Preparation and characterization of ICIC–MPD membrane." Journal of membrane science 281, no. 1-2 (2006): 88-94.
19. Kanagaraj, Palsamy, Ibrahim MA Mohamed, Wei Huang, and Changkun Liu. "Membrane fouling mitigation for enhanced water flux and high separation of humic acid and copper ion using hydrophilic polyurethane modified cellulose acetate ultrafiltration membranes." Reactive and Functional Polymers 150 (2020): 104538.
20. Etemadi, Habib, Reza Yegani, and Mahdi Seyfollahi. "The effect of amino functionalized and polyethylene glycol grafted nanodiamond on anti-biofouling properties of cellulose acetate membrane in membrane bioreactor systems." Separation and Purification Technology 177 (2017): 350-362.
21. Zhang, Yang, Ying Wan, Min Guo, Guoyuan Pan, Hongwei Shi, Xuerong Yao, and Yiqun Liu. "Surface modification on thin-film composite reverse osmosis membrane by cation complexation for antifouling." Journal of Polymer Research 26, no. 3 (2019): 1-12.
22. Wei, Xinyu, Zhi Wang, Jing Chen, Jixiao Wang, and Shichang Wang. "A novel method of surface modification on thin-film-composite reverse osmosis membrane by grafting hydantoin derivative." Journal of Membrane Science 346, no. 1 (2010): 152-162.
23. Wilbert, Michelle Chapman, John Pellegrino, and Andrew Zydney. Bench-scale testing of surfactant-modified reverse osmosis/nanofiltration membranes. Desalination, 115, 15-32, 1998.
24. Liao, Yuan, Chun-Heng Loh, Miao Tian, Rong Wang, and Anthony G. Fane. Progress in electrospun polymeric nanofibrous membranes for water treatment: Fabrication, modification and applications. Progress in Polymer Science, 77, 69-94, 2018.
25. Zhou, Yong, Sanchuan Yu, Congjie Gao, and Xianshe Feng. "Surface modification of thin film composite polyamide membranes by electrostatic self deposition of polycations for improved fouling resistance. Separation and purification technology, 66, 287-294, 2009.
26. Ba, Chaoyi, and James Economy. Preparation and characterization of a neutrally charged antifouling nanofiltration membrane by coating a layer of sulfonated poly (ether ether ketone) on a positively charged nanofiltration membrane. Journal of Membrane Science 362, 192-201, 2010.
27. Chen, Yuan, Tingjian Huang, Chunhui Jiang, Tianhaoyue Zhong, Zexi Su, Qibin Xu, Mengjin Jiang, and Pengqing Liu. Preparation of antifouling poly (ether ether ketone) hollow fiber membrane by ultraviolet grafting of polyethylene glycol. Materials Today Communications, 27, 102326, 2021.
28. Hachisuka, Hisao, and Kenichi Ikeda. Composite reverse osmosis membrane having a separation layer with polyvinyl alcohol coating and method of reverse osmotic treatment of water using the same." U.S. Patent 6,177,011, issued January, 23, 2001.
29. Yu, Sanchuan, Zhenhua Lü, Zhihai Chen, Xuesong Liu, Meihong Liu, and Congjie Gao. Surface modification of thin-film composite polyamide reverse osmosis membranes by coating N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid copolymers for improved membrane properties. Journal of membrane science, 371, 293-306, 2011.
30. Sagle, Alyson C., Elizabeth M. Van Wagner, Hao Ju, Bryan D. McCloskey, Benny D. Freeman, and Mukul M. Sharma. PEG-coated reverse osmosis membranes: desalination properties and fouling resistance. Journal of Membrane Science, 340, 92-108, 2009.
31. Belfer, S., Y. Purinson, and O. Kedem. Surface modification of commercial polyamide reverse osmosis membranes by radical grafting: An ATR‐FTIR study. Acta Polymerica, 49, 11, 574-582, 1998.
32. Mankol, Vladimir, Zhan Hao, Song Zhao, Hongyu Wu, Yunlong Qi, Zhi Wang, and Jixiao Wang. sulfonated reverse osmosis membrane fabricated with comonomer having excellent scaling and fouling resistance. Industrial & Engineering Chemistry Research, 60, 3095-3104, 2021.
33. Kang, Guodong, Haijun Yu, Zhongnan Liu, and Yiming Cao. Surface modification of a commercial thin film composite polyamide reverse osmosis membrane by carbodiimide-induced grafting with poly (ethylene glycol) derivatives. Desalination, 275, 1-3, 252-259, 2011.
34. Zou, Linda, I. Vidalis, D. Steele, A. Michelmore, S. P. Low, and J. Q. J. C. Verberk. Surface hydrophilic modification of RO membranes by plasma polymerization for low organic fouling. Journal of Membrane Science, 369, 420-428, 2011.
35. Yang, Rong, Jingjing Xu, Gozde Ozaydin-Ince, Sze Yinn Wong, and Karen K. Gleason. Surface-tethered zwitterionic ultrathin antifouling coatings on reverse osmosis membranes by initiated chemical vapor deposition. Chemistry of Materials, 23, 1263-1272, 2011.
36. Mahdavi, Hossein, and Akram Rahimi. Zwitterion functionalized graphene oxide/polyamide thin film nanocomposite membrane: Towards improved anti-fouling performance for reverse osmosis. Desalination 433, 94-107, 2018.
37. Kulkarni, Ashish, Debabrata Mukherjee, and William N. Gill. Flux enhancement by hydrophilization of thin film composite reverse osmosis membranes. Journal of Membrane Science 114, 39-50, 1996.
38. Lin, Nancy H., Myung-man Kim, Gregory T. Lewis, and Yoram Cohen. Polymer surface nano-structuring of reverse osmosis membranes for fouling resistance and improved flux performance. Journal of Materials Chemistry, 20, 4642-4652, 2010.
39. Jeong, Byeong-Heon, Eric MV Hoek, Yushan Yan, Arun Subramani, Xiaofei Huang, Gil Hurwitz, Asim K. Ghosh, and Anna Jawor. "Interfacial polymerization of thin film nanocomposites: a new concept for reverse osmosis membranes." Journal of membrane science 294, 1-7, 2007.
40. Kang, Guo-dong, and Yi-ming Cao. "Development of antifouling reverse osmosis membranes for water treatment: a review." Water research 46, 584-600, 2012.
