Processschemat för nanoträmembran för membrandestillation (MD). (A) Schematisk MD med användning av trämembranet. (B) Digitalt fotografi av nanowood och motsvarande fördelaktiga egenskaper för MD-applikationer. (C) Schematisk övergång av vatten (ånga) och värme i trämembranet under MD. Fotokredit:T. Li, University of Maryland. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw3203
Under avsaltning av vatten, membrandestillation (MD) utmanas av ineffektiviteten hos termisk separation av vatten från lösta ämnen, på grund av dess beroende av membranporositet och värmeledningsförmåga. Till exempel, befintliga petroleumbaserade membran har stått inför stora utvecklingshinder. I en ny rapport nu på Vetenskapens framsteg , Dianxun Hou och kollegor vid de tvärvetenskapliga avdelningarna för civil, miljö, arkitekturteknik, materialvetenskap och maskinteknik i USA, Norge och Kina tillverkade för första gången ett robust MD-membran direkt av hållbart trämaterial.
De använde ett hydrofobt nanowood-membran med hög porositet och hierarkisk porstruktur med en bred porstorleksfördelning av kristallina cellulosananofibriller, xylemkärl och lumina för att underlätta transport av vattenånga. Värmeledningsförmågan var extremt låg i konstruktionens tvärriktning för att minska ledande värmeförlust, även om hög värmeledningsförmåga längs fibern möjliggjorde effektiv värmeavledning längs den axiella riktningen. Membranet visade utmärkt inre ångpermeabilitet och termisk effektivitet. De kombinerade egenskaperna hos termisk effektivitet, vattenflöde, skalbarhet och hållbarhet gjorde nanowood mycket önskvärt för MD-tillämpningar (membrandestillation).
Vattenbrist är en global utmaning och FN:s rapport visar att nästan hälften av världens befolkning för närvarande lever i områden med potentiellt vattenbrist i minst en månad per år. Problemet förvärras av klimatförändringar och snabb urbanisering, bevisas med långa perioder av torka och frekventa skogsbränder i delstaten Kalifornien i USA. Avsaltning kan hjälpa till att lindra vattenstress genom att utvinna färskvatten från en rad salthaltiga eller förorenade källor inklusive havsvatten, bräckt grundvatten eller avloppsvatten. Forskare har ökat avsaltningen med hjälp av nanoteknik och avancerad tillverkning.
Strukturell karaktärisering av nanowood-membranet. (A) Foto av det hydrofoba nanoträmembranet. (B) Foto som visar hydrofobicitet efter silanbehandling. (C) Vattenkontaktvinkel för nanoträmembranet. (D) SEM-bilder av nanoträytan som uppvisar en anpassad struktur, xylemkärl, och lumina (kanaler). (E) SEM-bilder som uppvisar mesoporer [(G) tvärsnitt och (H) gropar] som växer på väggarna i xylemkärlen och lumina. (F) SEM-bilder som uppvisar mikrostora porer bland cellulosafibrerna. (I) PSD av hydrofoba naturliga trä- och nanoträmembran. Fotokredit:D. Hou, University of Colorado. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw3203.
Befintliga vattenavsaltningstekniker som omvänd osmos är dock energiintensiva och har sin energieffektivitetsgräns (~50 procent). Forskare är därför angelägna om att använda billiga och förnybara energikällor som en alternativ kostnadseffektiv strategi för att mildra utmaningarna inom energilagring. Membrandestillation (MD) är en framväxande, termiskt driven separationsprocess baserad på temperatur och ångtryck med hjälp av solenergi, termiska eller andra förnybara källor. I sin verkningsmekanism, vatten avdunstar vid den varma matningssidan av MD-celler för att diffundera genom ett poröst hydrofobt membran för att kondensera på den kalla permeatsidan.
Under MD, transporten av vattenånga kan leda till konvektiv värmeöverföring för att minska gradienten och sänka drivkraften för massöverföring över membranet. Forskare föreställer sig ett idealiskt MD-membran som kombinerar en stor porstorlek, låg portortuositet, låg värmeledningsförmåga, hög porositet, optimal tjocklek, god mekanisk styrka, kostnadseffektivitet och låg miljöpåverkan. Dock, de befintliga MD-membranen gjorda av syntetiska polymerer uppfyller inte optimala standarder på grund av flera brister.
I detta arbete, därför, Hou et al. utvecklat det första robusta MD-membranet direkt från hållbart trä som en naturbaserad lösning för vattenrening. Det jordrika nanocellulosamaterialet används vanligtvis i produkter med minimal miljö- eller hälsopåverkan för att konstruera ställningar, biobränslen eller vattenfilter. Materialforskarna utvecklade den nuvarande versionen av nanoträ genom att direkt ta bort lignin och hemicellulosa med kemisk behandling och frystorkning för att bevara den anisotropa nanostrukturen och den hierarkiska inriktningen av träfibrer.
Termisk konduktivitetskarakterisering av trämembranen. (A) Foto av det hydrofoba nanoträmembranet. (B) Foto av det hydrofoba naturliga trämembranet. (C) Schematisk representation av mätning av kontaktvärmekälla. IR-termografer av (D) trämembranen. (E) Uppmätt värmeledningsförmåga hos trämembranen från 40° till 60°C. (F) Jämförelse av träets värmeledningsförmåga vid 60°C före och efter hydrofob silanbehandling. Felstaplar representerar SDs baserat på tre oberoende experiment. Fotokredit:D. Hou, University of Colorado. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaw3203
Forskarna förberedde träet till ett anisotropiskt och termiskt isolerande bulkmaterial med hög porositet, låg värmeledningsförmåga och god mekanisk hållfasthet som ett idealiskt substrat för det nya MD-membranet. Forskargruppen använde nanostrukturerat trä från naturligt amerikanskt basträ följt av silanbeläggning för att bilda ett hydrofobt ytmembran med hög porositet och låg värmeledningsförmåga. De jämförde sedan de hydrofoba trämembranen med kommersiella membran i förhållande till struktur och prestanda under vattenrening.
De nya membranen presenterade en unik porstruktur med naturligt formade xylemkärl och lumina parallellt med membranytan jämfört med syntetiska kommersiella membran med vertikala porer. Forskargruppen observerade direkt den naturliga inriktningen av cellulosananofibriller med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM). De noterade den resulterande strukturen med inriktade kristallina nanofibriller som hölls samman med intermolekylära vätebindningar och van de Waal-krafter. Genom att ta bort de sammanblandade lignin- och hemicellulosakomponenterna, forskarna bidrog till cirka 70 procents massförlust och förbättrad porositet hos det hydrofoba nanowood-membranet. Hou et al. använde porerna som finns mellan nanofibrillerna eller på kanalväggarna för transport av vattenånga.
På grund av den stora porositeten hos det konstruerade materialet, den teoretiska värmeledningsförmågan för det hydrofoba nanoträmembranet minskade från 0,210 till 0,04 Wm −1 K −1 vid 25°C, att bidra till att minska ledande värmeförluster, samtidigt som den ökar konvektiv värmeöverföring. Forskarna behandlade träet med fluoralkylsilan (FAS) för att inducera hydrofobicitet, vilket de verifierade med hjälp av mätningar av vattenkontaktvinkel för att få kontaktvinklar större än 140 grader. Värdena var högre än de som observerades med kommersiella membran såsom polytetrafluoretylen (PTFE) och polyvinylidenfluorid (PVDF). Morfologin och porstrukturen förblev intakt före och efter ytbehandling. Forskarna jämförde de hydrofoba trämembranen med kommersiella membran i förhållande till membranstrukturer, inklusive porstorleksdimension (PSD), värmeledningsförmåga och prestanda.
MD-prestanda för trä och kommersiella membran. (A) Vattenflöde och (B) experimentell värmeledningsförmåga för de hydrofoba trämembranen med matningstemperatur som kontinuerligt varierar mellan 40° och 60°C och destillattemperatur på 20°C. (C) Membranens inneboende permeabilitet. (D) Termisk effektivitet kontra vattenflöde för trämembranen och kommersiella membran. Felstaplar representerar SDs baserat på tre oberoende experiment. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaw3203.
För att demonstrera egenskaperna hos värmeisolering för det tillverkade hydrofoba nanoträmembranet, forskarna testade provet under en ledande värmekälla och stimulerade direktkontaktmembrandestillation (DCMD). Under experimenten använde de fem olika temperaturer och mätte dem med en infraröd (IR) kamera. I resultaten, det hydrofoba nanomembranet visade låg värmeledningsförmåga och anisotropa egenskaper när temperaturen eskalerade från 40 0 C—60 0 C. Enligt resultaten, avlägsnandet av blandat lignin och hemicellulosa under beredning av nanoträ bidrog till betydande förändringar i träets värmeledningsförmåga.
Hou et al. testade sedan den termiskt effektiva avsaltningen av nanoträmembranet genom att observera vatten (ånga) flöde genom membranen. På grund av ökad porositet och porstorlek, det hydrofoba nanoträmembranet visade högre vattenflöde med avsevärt minskat motstånd mot ångöverföring. De jämförde prestandan hos nanowood MD med kommersiella MD och föreslog användning av tunnare trämembran för att tillverka bättre flöde i framtida studier. De hydrofoba membranen visade god termisk effektivitet (71 ± 2 % vid 60°C) för att representera de högsta värdena som uppnåtts i MD hittills. Totalt, resultaten föreslog den större porstorleken och bredare PSD (porstorleksdimensionen) hos nanoträmembranet för att kompensera för nackdelarna med lägre porositet.
Det nyutvecklade hydrofoba nanowood-membranet visade överlägsna egenskaper och MD-potential för vattenavsaltning. Membranet visade bra vatteninflöde (transport av vattenånga) och utmärkt termisk effektivitet på grund av hög inneboende permeabilitet och superlåg värmeledningsförmåga (0,040 W m) −1 K −1 ) för att främja konvektiv och ledande värmeöverföring. På det här sättet, Dianxun Hou och kollegor tillverkade ett nanoträmembran med hjälp av en skalbar, uppifrån och ned med enkla kemiska behandlingar. Den nyutvecklade, Skalbart nanowood-membran är ett termiskt effektivt membran med stor potential att använda lågvärdig värme från olika källor under membrandestillation (MD) för vattenavsaltning.
Forskarna kan förbättra porstorleken och tjockleken genom att välja andra träslag för processen i framtiden. De föreslår också användning av elektrospinning för att konstruera nanocellulosafibrer. På grund av den hydrofila naturen hos nanocellulosamaterial, Hou et al. syftar till att ytterligare förbättra effektiviteten av hydrofob behandling för membranets hållbarhet under höga temperaturer och kemiska förhållanden. Forskargruppen avser att ytterligare optimera tillverkningsmetoderna för att konstruera tunnare och större membranmaterial för framtida tillämpningar inom vattenavsaltning
Schema, bilder, och kontrollgränssnitt för apparaten för direktkontaktmembrandestillation (DCMD). (A) Schema för apparaten för direktkontaktmembrandestillation (DCMD). Visuella bilder av (B) DCMD-reaktorn och (C) LabVIEW kontrollsystem
© 2019 Science X Network
