Entsalzung bei Umgebungstemperatur und -druck durch eine neuartige Klasse biporöser anisotroper Membranen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13564 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Jüngste wissenschaftliche Fortschritte haben Fortschritte bei der Bewältigung relevanter Probleme im Zusammenhang mit dem Klimawandel und der Nachhaltigkeit unserer natürlichen Umwelt gemacht. Diese Studie nutzt einen neuartigen Ansatz zur Entsalzung, der umweltfreundlich, natürlich nachhaltig und energieeffizient ist, was bedeutet, dass er auch kosteneffizient ist. Verdunstung ist ein Schlüsselphänomen in der natürlichen Umwelt und wird in vielen industriellen Anwendungen einschließlich der Entsalzung genutzt. Bei einem Flüssigkeitströpfchen ändert sich der Dampfdruck aufgrund der gekrümmten Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche an der Tröpfchenoberfläche. Der Dampfdruck an einer konvexen Oberfläche in einer Pore ist daher aufgrund des Kapillareffekts höher als an einer flachen Oberfläche, und dieser Effekt verstärkt sich, wenn der Porenradius abnimmt. Dieses Konzept inspirierte uns zur Entwicklung einer neuartigen biporösen anisotropen Membran für die Membrandestillation (MD), die es ermöglicht, Wasser bei Umgebungstemperatur und -druck zu entsalzen, indem nur ein kleiner Transmembran-Temperaturgradient angelegt wird. Die neuartige Membran wird als superhydrophobe nanoporöse/mikroporöse Verbundmembran beschrieben. Eine im Labor hergestellte Membran mit Spezifikationen, die durch das theoretische Modell bestimmt wurden, wurde für die Modellvalidierung vorbereitet und durch Direktkontakt-MD auf Entsalzung bei verschiedenen Zulauftemperaturen getestet. Ein Wasserdampffluss von bis zu 39,94 ± 8,3 L m−2 h−1 wurde mit der neuartigen Membran bei niedriger Zulauftemperatur (25 °C, Permeattemperatur = 20 °C) erreicht, während die kommerzielle PTFE-Membran weit verbreitet ist in der MD-Forschung hatte unter den gleichen Betriebsbedingungen keinen Fluss. Außerdem waren die Flüsse der hergestellten Membran bei verschiedenen Einlasstemperaturen viel höher als die der kommerziellen Membran.

Einer der Hauptstreitpunkte dreht sich heutzutage um den Energieverbrauch und seine Auswirkungen auf unsere natürliche Umwelt, insbesondere im Hinblick auf die Freisetzung großer Mengen Kohlendioxid und deren schädliche Auswirkungen auf die globale Erwärmung. Basierend auf dem grundlegenden Glauben an die Nachhaltigkeit unserer natürlichen Umwelt in Kombination mit unserem Wissen über das Verhalten des Wasserdampftransports gemäß der Kelvin-Gleichung wird diese Forschung als bahnbrechende Studie in der Entsalzungstechnologie vorgeschlagen. Die hier vorangetriebene Technologie verspricht, viele Probleme zu lösen, mit denen Länder mit niedrigerem Einkommen derzeit konfrontiert sind, nämlich die hohen Energiekosten und die katastrophalen Auswirkungen des Energieverbrauchs auf den scheinbar unaufhaltsamen Prozess des Klimawandels.

Entsalzung ist ein allgemeiner Begriff für Methoden, mit denen aus Salzwasser Süßwasser gewonnen wird. Die aktuellen Entsalzungstechnologien sind energieintensiv, da sie die Anwendung erheblicher thermischer oder drucktreibender Kräfte erfordern. Glücklicherweise ist der thermische Bedarf der Verdampfung bei Membranprozessen wie der Membrandestillation (MD) und der Pervaporation geringer als bei herkömmlichen Destillationsprozessen. Somit handelt es sich bei MD um eine thermisch betriebene Trenntechnologie, die möglicherweise minderwertige Wärme zur Entsalzung stark salzhaltiger Ströme nutzen kann. Bei der MD übertragen sich Wasserdampfmoleküle, angetrieben durch den Partialdruckgradienten über eine hydrophobe mikroporöse Membran, von der heißen Salzlösung auf das kalte Permeat und hinterlassen Salze und nichtflüchtige Stoffe zurück1,2. Bei MD ist es von entscheidender Bedeutung, die Membran hydrophob zu halten, da sie eine hohe Salzabweisung ermöglicht, indem verhindert wird, dass das salzige Speisewasser durch die Membranporen in die Permeatseite (Wasserprodukt) fließt3,4. MD hat in jüngster Zeit als aufstrebende Entsalzungstechnologie aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wie niedrige Betriebstemperatur, niedriger Betriebsdruck, hohe Fähigkeit zur Behandlung von Solen mit hohem Salzgehalt, hohe Rückhalteeffizienz und einzigartige Fähigkeit zur Nutzung minderwertiger Energie große Aufmerksamkeit auf sich gezogen Quellen3,5.

Wie bereits erwähnt, beruht der MD-Prozess hauptsächlich auf der Verdampfung, die Wärmeenergie verbraucht. Durch die Leitung durch die Membran geht jedoch auch Wärme verloren, wodurch die Gesamteffizienz des MD-Prozesses, insbesondere in der DCMD-Konfiguration, abnimmt6. Daher ist die Herstellung schlecht konzipierter Membranen häufig der Grund für den hohen Energieverbrauch sowie den Rückgang der MD-Leistung7. Die ideal für hohe Leistung ausgelegten MD-Membranen sollten die folgenden Anforderungen erfüllen, d. h. geringer Widerstand für den Dampfübergang, geringe Dicke, geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe Hydrophobie sowie ausgezeichnete mechanische Stabilität und Haltbarkeit8,9. Bei der Entwicklung von Hochleistungs-MD-Membranen ist es von entscheidender Bedeutung, sich der gekoppelten und manchmal widersprüchlichen Einflüsse vieler Parameter bewusst zu sein. Daher müssen alle oben genannten Kriterien gleichzeitig berücksichtigt werden, um eine wirksame MD-Membran zu entwickeln. Obwohl beispielsweise erwartet wird, dass die dünnere MD-Membran den Stoffübergangswiderstand verringert, weist eine geringe Dicke häufig schlechte mechanische Eigenschaften auf und erhöht die Wärmeleitungsverluste, insbesondere im Fall von DCMD10. Daher wurden viele theoretische Studien durchgeführt, nicht nur um die Auswirkungen der Parameter zu verstehen, sondern auch um sie zu optimieren, um die höchstmögliche MD-Leistung zu erreichen11,12.

Trotz der großen theoretischen und experimentellen Anstrengungen zur Verbesserung der MD-Leistung ist es aufgrund der intrinsischen Einschränkungen bislang nicht möglich, eine hohe thermische Antriebskraft über die Membran hinweg aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn eine große Membranfläche verwendet wird. Daher besteht ein großer Bedarf an neuartigen Ansätzen zur größtmöglichen Steigerung der thermischen Antriebskraft, insbesondere um MD auf die nächste Stufe der Kommerzialisierung in großem Maßstab zu bringen.

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, eine der Methoden zur Erfüllung dieser Anforderungen vorzustellen, die auf dem grundlegenden Konzept der Dampfdruckerhöhung aufgrund des Kapillareffekts in Poren in Nanogröße basiert13. Basierend auf dem Stofftransport in einer kleinen Kapillare wurde ein theoretisches Modell entwickelt. Das Modell ermöglicht die Berechnung der treibenden Kraft sowie der Membranmasse und der volumetrischen Flüsse für einen bestimmten Satz von Parametern, die die Membranporengeometrie und die Oberflächeneigenschaften spezifizieren, wie z. B. den Wasserkontaktwinkel, den Porenradius, den Tortuositätsfaktor und die Porenlänge. Um das Modell experimentell zu validieren, wurde außerdem eine neuartige anisotrope superhydrophobe Membran hergestellt und im DCMD-Modus zur Entsalzung von NaCl-Lösung getestet. Die DCMD-Experimente wurden bei verschiedenen Einlasstemperaturen durchgeführt, einschließlich einer Temperatur, die sehr nahe an der Umgebungstemperatur liegt. Somit ist diese Arbeit der erste Versuch, die Möglichkeit des Entwurfs einer MD-Membran zu demonstrieren, die sowohl theoretisch als auch experimentell Wasser bei einem kleinen Temperaturunterschied zwischen der Membran produzieren kann.

Es sollte betont werden, dass die neuartige anisotrope Membran einen um eine Größenordnung höheren Fluss als die kommerzielle Kontrollmembran erreichen könnte, insbesondere bei einem Transmembran-Temperaturunterschied von nur 5 °C.

Die biporöse anisotrope Membran wurde durch Abscheiden einer sehr dünnen hydrophoben Schicht auf dem hydrophilen porösen Substrat hergestellt. Die Einzelheiten der Herstellungsmethode sind in Abschnitt S1 angegeben (S bezeichnet ergänzendes Material).

Die Morphologie und Topographie (Rauheit) der hergestellten Membran wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) bzw. Rasterkraftmikroskopie (AFM) charakterisiert. Zusätzlich wurde die Benetzbarkeit der so vorbereiteten Membran durch Messung des Wasserkontaktwinkels bestimmt. Röntgenbeugungsspektren (XRD) wurden mit Bruker D8 zur Messung des d-Abstands zwischen benachbarten Polymerketten im Bereich von 5 Å–80 Å bei einer Scanrate von 0,02 Å min−1 erhalten. Der d-Abstand wurde mithilfe des Braggschen Gesetzes berechnet (nλ = 2d sinθ). Die Einzelheiten zu jeder Methode finden Sie in Abschnitt S2.1. Die DCMD-Experimente wurden mit dem in Abb. S1 gezeigten DCMD-Aufbau durchgeführt. Die Einzelheiten des experimentellen Ablaufs sind in Abschnitt S2.2 angegeben.

MD ist ein komplexer physikalischer Prozess, der gekoppelte Stoff- und Wärmeübertragungsphänomene beinhaltet. In dieser Arbeit wird das stationäre theoretische Modell für DCMD durch die biporöse anisotrope Membran entwickelt. Die stromaufwärtige Seite (Zufuhrseite) der anisotropen Membran mit hydrophoben Poren in Nanogröße, im Folgenden „aktive Schicht“ genannt, wird mit der warmen salzigen Zufuhrlösung in Kontakt gebracht, während die stromabwärtige Seite (Permeatseite) Poren mit viel größeren Größen aufweist , im Folgenden „Stützschicht“ genannt, steht in Kontakt mit dem kälteren DI-Wasser. Aufgrund der Hydrophobie der aktiven Schicht bildet sich am Eingang der nanoskaligen Poren eine Wasser-Luft-Grenzfläche (siehe Abb. 1), an der der Sättigungsdampfdruck gemäß der Kelvin-Gleichung (Gl. 1) deutlich erhöht ist. 14, was wiederum zu einer deutlichen Verbesserung des Wasserdampftransports durch die Membran führt15.

Dabei ist ps,r der Dampfdruck in einer Kapillare mit einem Radius r, ps der Dampfdruck an der flachen Oberfläche, σ die Oberflächenspannung, Vm das Molvolumen von flüssigem Wasser, θ der Kontaktwinkel, R der ideale Gaskonstante und T ist die absolute Temperatur. Unter diesen sind ps, σ und Vm eine Funktion der Temperatur, wie im ergänzenden Materialabschnitt S3, Tabelle S1 aufgeführt. Gleichung (1) zeigt, dass \(\theta\) größer als 90° ist, wenn die Membran hydrophob ist, was zu \(p_{s,r} > p_{s}\) führt. Die in Tabelle S2 und Abschnitt S3 dargestellten Daten zeigen deutlich, dass der Kapillareffekt die treibende Kraft, die durch den Anstieg des Dampfdrucks am gekrümmten Meniskus verursacht wird, erheblich erhöht.

Gewünschte Struktureigenschaften der aktiven (nanoporösen) Schicht und der Trägerschicht (mikroporösen Schicht), einschließlich des Bereichs der Porengröße und -dicke für jede Schicht sowie der Hydrophobie der aktiven Schicht und des Wasserkontaktwinkels \(\theta\) Dadurch wird eine drastische Erhöhung der Antriebskraft (Dampfdruckdifferenz) bei einem sehr kleinen Temperaturgradienten erreicht, wodurch die Notwendigkeit einer großen Zufuhr sensibler Wärme zur Zufuhrlösung entfällt.

Wenn in Tabelle S2 das Speisewasser mit einer Temperatur von 25 °C mit der aktiven Schicht mit einem Porenradius von 1 nm in Kontakt kommt, entspricht der Dampfdruck in der Pore dem von 43 °C des flachen Meniskus, was einer Verstärkung entspricht von 18 °C (in Tabelle S2 als \(\Delta T\) dargestellt). Wenn der Porenradius auf 0,5 nm reduziert wird, beträgt \(\Delta T \) ebenfalls 41 °C. Daher führt uns das grundlegende Konzept des Kapillareffekts auf den Dampfdruck zum Entwurf einer Membran mit der biporösen anisotropen Struktur, die wir bereits früher patentiert haben16, wie in Abb. 1 dargestellt, d. h. einer dünnen aktiven Schicht mit einer großen Anzahl von Membranen Poren im Nano- oder Subnanometerbereich werden von einer dicken Schicht mit viel größeren Poren, möglicherweise im Mikrometerbereich, getragen. Es ist wünschenswert, dass die aktive Schicht superhydrophob ist, um zu verhindern, dass flüssiges Wasser in die Pore eindringt, und um außerdem eine Flüssigkeits-/Gasgrenzfläche mit einem Meniskus zu bilden, der groß genug ist, um einen deutlichen Anstieg des Dampfdrucks zu ermöglichen. Die Trägerschicht hingegen sorgt für mechanische Festigkeit. Es ist auch wünschenswert, die Trägerschicht hydrophil zu halten, um Wasser in die Pore zu ziehen, damit wir die kürzere Dampfweglänge und den schnellen Flüssigkeitstransport durch viskose Strömung nutzen können, wie in Abschnitt S4 ausführlicher erläutert. Daher wird der Stofftransport hauptsächlich durch den Dampftransport durch die aktive Schicht gesteuert. Die so konzipierte Membran kann den Energieverbrauch in MD erheblich reduzieren, da die Erwärmung der Zufuhrlösung minimiert werden kann, unterstützt durch die Kapillarwirkung der Poren in Nanogröße.

Bezüglich des Dampftransports durch die aktive Schicht ist der Dampffluss (JW) proportional zur Dampfdruckdifferenz (der treibenden Kraft), wie in Gleichung (1) gezeigt. (2)17.

Dabei ist Bm der Stoffübergangskoeffizient der Membran, pf,m und pp,m der Dampfdruck am Poreneingang bzw. -ausgang der aktiven Schicht. Dabei wird der Wärmeübertragungswiderstand an der Feed- und Permeatgrenze (einschließlich der Wärmeübertragung durch die Trägerschicht aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Trägermaterials) ignoriert. Diese Annahme dient der Vereinfachung der Modellgleichung und vor allem, um den Kapillareffekt auf den Dampftransport deutlicher darzustellen. Gemäß der obigen Annahme wird angenommen, dass \(p_{f,m}\) bei der Feedtemperatur liegt, während \(p_{p,m}\) bei der Permeattemperatur liegt.

Es kann auch leicht angenommen werden, dass der Stofftransport durch nanoskalige Poren der aktiven Schicht über den Knudsen-Flussmechanismus erfolgt.

Dann,

wobei \(\varepsilon , r, \tau\) und \(\delta\) Porosität, Radius, Tortuosität bzw. Porenlänge sind und der Index a für die aktive Schicht steht und \(M\) die ist Molekulargewicht von Wasser. T ist die Temperatur in der Pore und es wird der Durchschnitt aus Feed- und Permeattemperatur verwendet.

Dann,

wobei der Index 1 und 2 jeweils für Feed und Permeat stehen. Es ist zu beachten, dass der Kapillareffekt auf der Permeatseite der Pore in Gl. (4), was in Abschnitt S4 begründet wird.

Darüber hinaus gilt zusammen mit Antoines Gleichung

\(J_{w}\) kann als Funktion von \(T_{1}\) für einen gegebenen Datensatz zu Membranstrukturparametern, Oberflächenspannung, Kontaktwinkel und Permeattemperatur erhalten werden.

\(J_{w}\) wird bezüglich des Flusses bei 25 °C weiter normiert durch

wobei \(J_{w,t}\) und \(J_{w,25}\) \(J_{w}\) bei der Temperatur t (°C) bzw. 25 °C sind, um den Effekt auszudrücken Temperatur für ein gegebenes \(r_{a}\). (Beachten Sie, dass in NJ der Rampenparameter \(\frac{{\varepsilon_{a} r_{a} }}{{\tau_{a} \delta_{a} }}\) aufgehoben wird und NJ nur von abhängt ra und T1).

Abbildung 2 fasst die Ergebnisse der Membrancharakterisierung zusammen. Abbildung 2a zeigt die Oberflächenmorphologie der biporösen anisotropen Membran. Im Bild sind die Poren nicht zu erkennen, da sie im Subnanometerbereich liegen. Abbildung 2b zeigt das Querschnittsbild der hergestellten Membran, in der eine sehr dünne aktive Schicht auf einem AAO-Substrat mit geraden Poren zu sehen ist. Abbildung 2c zeigt das 3D-AFM-Bild der Oberfläche der aktiven Schicht und das Dickenprofil der aktiven Schicht (übertragen auf einen Glasobjektträger). Die durchschnittliche Rauheit (Ra) der synthetisierten Membran betrug 131,782 nm, während die durchschnittliche Dicke 120 nm betrug. Abbildung 2d zeigt die 2D-AFM-Bilder der Membran, in denen keine Poren im Subnanometerbereich beobachtet werden konnten, was die SEM-Ergebnisse bestätigt.

Charakterisierung der biporösen anisotropen Membran (a, b) Oberflächen- und Querschnitts-REM-Bilder, (c) 3D-AFM-Bild (5 µm × 5 µm) und Dickenprofil der aktiven Schicht (auf Glassubstrat übertragen), (d) 2D Das AFM-Bild und der Einschub gelten für einen Wassertropfen auf der Oberfläche der aktiven Schicht, CA = 157,54° ± 11,06°.

Abbildung 2d (Einschub) zeigt das Bild eines Wassertropfens, der auf der Oberfläche der aktiven Schicht platziert ist. Anhand des Bildes wurde ein Kontaktwinkel von 157,54° ± 11,06° gemessen, was die superhydrophobe Eigenschaft der Oberfläche der aktiven Schicht bestätigt. Andererseits betrug der Kontaktwinkel der Oberfläche der Trägerschicht 14,85° ± 1,35°, was ihre hydrophile Eigenschaft bestätigt. Interessanterweise zeigte die XRD der biporösen anisotropen Membran Peaks bei 2θ = 7,3°, 12,3° und 17°, was einem d-Abstand von 1,2, 0,7, 0,49 nm entspricht (Abb. S2).

Abbildung 3a zeigt die Ergebnisse von DCMD-Experimenten mit der neuartigen biporösen antistropischen Membran. Die Abbildung zeigt auch den Vergleich zwischen der neuartigen Membran und einer kommerziellen PTFE-Membran. Wie erwartet wurde mit der neuartigen biporösen Membran ein viel höherer Fluss erzielt. Insbesondere zeigte die biporöse Membran selbst bei der niedrigsten Zulauftemperatur von 25 °C einen beeindruckenden Flusswert von 39,9 l/m2 h, der durch Erhöhung der Zulauftemperatur auf 60 °C auf 225,2 l/m2 h anstieg. Diese hohen Flüsse wurden hauptsächlich durch die Wirkung der Kapillarkraft verursacht, die an der Grenzfläche zwischen flüssigem Wasser und Gas wirkt, die sich am Poreneingang der aktiven Schicht bildet, wie später nachgewiesen wurde. Die Salzrückhaltung blieb bis zu 50 °C bei nahezu 99 % oder mehr, verringerte sich jedoch leicht auf 98,3 % bei 60 °C, was auf das Auftreten einer leichten Porenbenetzung hinweist. Dennoch wurde die hergestellte biporöse Membran für die Langzeitentsalzung untersucht, um aussagekräftigere Erkenntnisse für die Überlegung zur Maßstabsvergrößerung zu gewinnen. Die Ergebnisse sind in Abb. 3b dargestellt. Wie in der Abbildung dargestellt, nahm der Wasserfluss nach 14-stündigem Betrieb leicht von 40 LMH auf 34,5 LMH ab, was auf eine gute Langzeitstabilität der Membran hinweist. Diese Flussabnahmerate wird jedoch häufig im DCMD-Betrieb für die Meerwasserentsalzung im geschlossenen Kreislauf beobachtet18 und wird im Allgemeinen auf die Ansammlung/Ablagerung von Salz auf der Membranoberfläche (Konzentrationspolarisationseffekt) zurückgeführt.

(a) Wasserdampffluss und NaCl-Abweisung der biporösen anisotropen Membran und der kommerziellen PTFE-Membran. (b) Langzeitexperiment; Wasserfluss der hergestellten biporösen anisotropen Membran als Funktion der Entsalzungszeit unter Verwendung von Zufuhr bei 25 °C. Die Permeattemperatur wurde für alle Experimente bei 20 °C gehalten und die Flussrate von Zufuhr und Permeat betrug 500 ml/min. Die Ergebnisse werden mit dem in Abb. S1 beschriebenen Aufbau und dem in Abschnitt S2 beschriebenen experimentellen Verfahren erhalten.

Es ist zu beachten, dass Chen et al.19 kürzlich über eine Hochfluss-Entsalzungsmembran berichtet haben. Sie ließen eine Schicht poröser Kohlenstoffstrukturen auf einem porösen Keramiksubstrat wachsen und erreichten außerdem hohe Flüsse von etwa 120 L/m2 h (mit 3 %iger Salzlösung bei 60 °C) und etwa 30 L/m2 h bei 25 °C (beide). Daten aus Abb. 2b ihrer Arbeit). Es sollte jedoch beachtet werden, dass ihre Experimente unter Verwendung von Vakuum-MD (VMD) mit einer zusätzlichen Antriebskraft auf der Permeatseite durchgeführt wurden. Darüber hinaus entwickelten Chen et al.20 Membranen mit Poren im Subnanometerbereich durch die gemeinsame Anordnung von Graphenoxid-Nanoblättern und Polymer auf einem Keramiksubstrat und erreichten etwa 100 L/m2 h (mit 3,5 %iger Salzlösung bei 60 °C) und ca 25 L/m2 h bei einer Vorlauftemperatur von 20 °C (beide Daten entnommen aus Abb. 2d ihrer Arbeit). Sie haben auch auf der Permeatseite Vakuum angelegt und den Prozess Pervaporation genannt. Ihre Interpretation des Wassertransports ist daher der schnelle Flüssigkeitstransport in der Kapillare, gefolgt von der Verdunstung am Porenausgang, was sich von dem von den aktuellen Autoren vorgeschlagenen Mechanismus unterscheidet.

Die folgende Diskussion soll beweisen, dass die signifikante Flussverbesserung tatsächlich auf den Kapillareffekt auf den Dampfdruck am Poreneingang der aktiven Schicht zurückzuführen ist.

In Abb. 4 ist der normalisierte Fluss NJ als Funktion der Temperatur für verschiedene \(r_{1} ^{\prime}\) s aufgetragen. Die Abbildung zeigt, dass NJ mit der Temperatur zunimmt und der Anstieg mit zunehmendem \(r_{1}\) schneller wird. Somit beträgt NJ bei der höchsten Temperatur von 60 °C 5 bzw. 9,8 für \(r_{1} = 0,5\;{\text{und}}\;2,0\) nm. Wenn \(r_{1}\) so groß wie 100 nm ist, wird NJ 19,6, ein Wert nahe 20,05, was dem NJ entspricht, der dem Fall entspricht, wenn \(p_{s,r} = p_{s}\ ), d. h. es gibt keinen Kapillareffekt. Somit gibt die Steilheit der Kurve den Grad des Kapillareffekts an.

NJ (Normalisierter Wasserdampffluss) gegen die Temperatur für verschiedene \(r_{1}\).

Interessanterweise überlappt das aus dem experimentellen \(J_{w}\) erhaltene NJ-Diagramm die Kurve für \(r_{1} = 0,7\;{\text{nm}}\). Aus diesen Ergebnissen kann mit Sicherheit geschlossen werden, dass die Porengröße der aktiven Schicht der biporösen Membran 0,7 nm beträgt. Interessanterweise liegt es im Bereich des durch XRD erhaltenen d-Abstands.

Sobald wir \(r_{1}\) kennen, können wir den Rampenparameter \(\frac{{\varepsilon_{a} }}{{\tau_{{a\delta_{a} }} }} berechnen. \). Zum Beispiel wurde \( \frac{{\varepsilon_{a} }}{{\tau_{{a\delta_{a} }} }}\) gleich 6,419 × 105 m−1 gesetzt und \(J_{ w}\) wurde für verschiedene Temperaturen berechnet. In Abb. 5 werden die berechneten \(J_{w}\)-Werte mit den experimentellen \(J_{w}\) korreliert. Die Regressionslinie weicht leicht vom Ursprung ab und hat eine Steigung von 1,05. Der \(R^{2}\) beträgt 0,9825, was auf eine gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und experimentellen Werten hinweist. Unter Verwendung von \(\delta_{1} = 100\;{\text{nm}}\), dem aus dem REM-Bild erhaltenen Wert (Abb. 2b) und der Annahme von \(\tau_{1}\) = 1,2, \( \varepsilon_{1}\) wird 0,077. Unter Berücksichtigung des fraktionierten freien Volumens (FFV) von etwa 0,05 für ein hochkristallines Polymer (berechnet aus der Polymer-Wiederholungseinheit der Hautschicht unter Verwendung der Gruppenbeiträge21 und einer Dichte von 2 g/cm3 für hochfluoriertes Polymer) erscheint die obige Porosität vernünftig.

Vergleich von berechnetem und experimentellem Fluss basierend auf \(\frac{{\varepsilon_{1} }}{{\tau_{{1\delta_{1} }} }} = 6,419 \times 10^{5}\) m− 1.

Zusammenfassend haben wir erfolgreich eine neuartige biporöse anisotrope Membran entworfen, modelliert und hergestellt, die speziell für den MD-Prozess verwendet werden kann. Die Schlüsselidee besteht darin, den Kapillareffekt zu nutzen, um am Poreneinlass einen hohen Dampfdruck zu erzeugen und so die Antriebskraft durch die MD-Membran deutlich zu erhöhen, wodurch der Betrieb des MD-Prozesses bei niedrigen Zulauftemperaturen ermöglicht wird. Die vorgeschlagene biporöse anisotrope Membran mit den speziell festgelegten Eigenschaften gewährleistet eine ausreichende Dampfdruckdifferenz (d. h. die treibende Kraft von MD) durch den Kapillareffekt, selbst bei Umgebungstemperatur der Zufuhr und einem kleinen Temperaturunterschied zwischen der Membran (< 5 °C), wodurch MD entsteht ein äußerst energieeffizienter Prozess, der sich für Großmodulbedingungen eignet.

Mehrere neuartige Konzepte wurden erfolgreich vorgeschlagen, um die MD-Hürden teilweise zu überwinden; unter Verwendung von Oberflächen- oder Joule-Erwärmung, Einsatz neuer Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren usw. Das Erreichen einer vielversprechenden MD-Leistung auf Kosten des Energieeintrags oder bei der hohen Zufuhrtemperatur ist jedoch keine endgültige Lösung, insbesondere wenn dies bei Membranen mit großer Fläche der Fall ist gebraucht. Da der Gesamtenergieverbrauch, der sich aus der Summe der Wärmezufuhr zur Zufuhrlösung, dem Leitungswärmeverlust und dem Wärmeverlust aufgrund der Temperaturpolarisierung zusammensetzt, mit der Erhöhung der Zufuhrtemperatur zunimmt, ist es zwingend erforderlich, die Zufuhr herzustellen Temperatur möglichst nahe an der Permeattemperatur. Unsere theoretischen und experimentellen Ergebnisse zeigten einen Durchbruch im MD-Prozess. Diese herausragenden Ergebnisse eröffnen ein vielversprechendes Potenzial für die MD-Industrialisierung als kostengünstiges und hochenergieeffizientes Entsalzungsverfahren und überwinden die Haupthindernisse für die MD-Skalierung.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage durch Kontaktaufnahme mit dem entsprechenden Autor erhältlich; Mohammed Rasool Qtaishat ([email protected]).

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Die in diesem Artikel beschriebene Forschung wurde von der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudi-Arabien, unterstützt. Die Autoren danken dem Water Desalination and Reuse Center (WDRC) und den Mitarbeitern von KAUST für Hilfe, Unterstützung und Unterstützung. Die Autoren dieser Arbeit danken auch der Saudi Membrane Distillation Desalination Co. Ltd. für die teilweise Finanzierung der hier vorgestellten Arbeit.

Abteilung für Chemieingenieurwesen, School of Engineering, Universität Jordanien, Amman, 11942, Jordanien

Mohammed Rasool Qtaishat

Arab Open University/ Zweigstelle Jordanien, Amman, 11731, Jordanien

Mohammed Rasool Qtaishat

Saudi Membrane Distillation Desalination (SMDD) Co. Ltd., Innovation und wirtschaftliche Entwicklung, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Saudi-Arabien

Mohammed Rasool Qtaishat & Areej Al-Samhouri

Abteilung für Bio- und Umweltwissenschaften und -technik (BESE), Water Desalination and Reuse Center (WDRC), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Saudi-Arabien

Mohammed Obaid, Sofiane Soukane und Noreddine Ghaffour

Abteilung für Chemie- und Biotechnik, Universität Ottawa, 161 Luis Pasteur Street, Ottawa, ON, K1N 6N5, Kanada

Takeshi Matsuura

Forschungs- und Entwicklungsabteilung für kohlenstoffneutrale Technologie, Korea Institute of Industrial Technology, 89, Yangdaegiro-gil, Seobuk-gu, Cheonan-si, Chungcheongnam-do, 31056, Südkorea

Jung-Gil Lee

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MRQ und TM konzipierten das ursprüngliche Design der Membran. MO, NG, SS und MRQ haben das ursprüngliche Membrandesign modifiziert. MRQ, TM, J.-GL, NG, AA-S. führte das theoretische Modell durch und arbeitete an der Simulation. SS trug zur Simulation und Analyse bei. MO hat die Membran hergestellt/beschichtet. MO, NG haben das experimentelle Verfahren entwickelt. MO führte die Experimente sowie die Synthese und Charakterisierung der Membran durch. MRQ hat das Manuskript verfasst. Alle Co-Autoren beteiligten sich an Diskussionen, führten Datenanalysen durch, lieferten kritische Überarbeitungen und genehmigten die endgültige Version des Manuskripts.

Korrespondenz mit Mohammed Rasool Qtaishat.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Qtaishat, MR, Obaid, M., Matsuura, T. et al. Entsalzung bei Umgebungstemperatur und -druck durch eine neuartige Klasse biporöser anisotroper Membranen. Sci Rep 12, 13564 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17876-8

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Eingegangen: 29. April 2022

Angenommen: 02. August 2022

Veröffentlicht: 09. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17876-8

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