Опреснение при температуре и давлении окружающей среды с помощью бипористой анизотропной мембраны нового класса.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13564 (2022 г.) Цитировать эту статью

2428 Доступов

1 Цитаты

66 Альтметрика

Подробности о метриках

Последние научные достижения позволили добиться прогресса в решении актуальных проблем изменения климата и устойчивости нашей природной среды. В этом исследовании используется новый подход к опреснению, который является экологически чистым, экологически устойчивым и энергоэффективным, а это означает, что он также является экономически эффективным. Испарение является ключевым явлением в природной среде и используется во многих промышленных целях, включая опреснение. Для капли жидкости давление пара изменяется из-за искривленной границы раздела жидкость–пар на поверхности капли. Поэтому давление пара на выпуклой поверхности в поре выше, чем на плоской поверхности из-за капиллярного эффекта, и этот эффект усиливается с уменьшением радиуса поры. Эта концепция вдохновила нас на разработку новой бипоровой анизотропной мембраны для мембранной дистилляции (МД), которая позволяет опреснять воду при температуре и давлении окружающей среды, применяя лишь небольшой трансмембранный температурный градиент. Новая мембрана описывается как супергидрофобная нанопористая/микропористая композитная мембрана. Мембрана лабораторного изготовления со характеристиками, определенными теоретической моделью, была подготовлена ​​для проверки модели и протестирована на опреснение при различных температурах на входе сырья методом прямого контакта MD. С помощью новой мембраны при низкой температуре подачи (25 °C, температура пермеата = 20 °C) был достигнут поток водяного пара, составлявший 39,94 ± 8,3 л·м-2 · ч-1, в то время как коммерческая мембрана из ПТФЭ, которая широко используется в исследованиях МД имел нулевой поток при тех же условиях эксплуатации. Кроме того, потоки изготовленной мембраны были намного выше, чем у коммерческой мембраны при различных температурах подачи на входе.

Один из основных вопросов разногласий в настоящее время вращается вокруг потребления энергии и его воздействия на нашу природную среду, особенно с точки зрения выброса большого количества углекислого газа и его пагубного воздействия на глобальное потепление. Основываясь на убеждении в устойчивости нашей природной среды в сочетании с нашими знаниями о поведении переноса водяного пара в соответствии с уравнением Кельвина, это исследование предлагается как прорывное исследование в технологии опреснения. Передовые технологии обещают решить многие проблемы, с которыми в настоящее время сталкиваются страны с низкими доходами, связанные с высокой стоимостью энергии и катастрофическим воздействием потребления энергии на, казалось бы, неостановимый процесс изменения климата.

Опреснение — это общий термин, используемый для обозначения методов получения пресной воды из соленой воды. Современные технологии опреснения являются энергоемкими, поскольку требуют применения значительной движущей силы тепла или давления. К счастью, тепловая потребность в испарении в мембранных процессах, таких как мембранная дистилляция (МД) и первапорация, ниже, чем в традиционных процессах дистилляции. Таким образом, MD представляет собой технологию термической сепарации, которая потенциально может использовать низкопотенциальное тепло для опреснения сильно соленых потоков. При МД под действием градиента парциального давления на гидрофобной микропористой мембране молекулы водяного пара переходят из горячего солевого раствора в холодный пермеат, оставляя после себя соли и нелетучие вещества1,2. Поддержание гидрофобности мембраны имеет решающее значение при МД, поскольку оно обеспечивает высокую степень улавливания солей, предотвращая протекание соленой питательной воды через поры мембраны в сторону пермеата (водный продукт)3,4. В последнее время MD привлек много внимания как новая технология опреснения благодаря своим превосходным характеристикам, таким как низкая рабочая температура, низкое рабочее давление, высокая способность обработки рассолов с высокой соленостью, высокая эффективность отбраковки и уникальная способность использовать низкопотенциальную энергию. источники3,5.

Как упоминалось ранее, процесс МД основан в основном на испарении, требующем тепловой энергии. Однако тепло также теряется за счет проводимости через мембрану, тем самым снижая общую эффективность процесса МД, особенно в конфигурации DCMD6. Таким образом, изготовление плохо спроектированных мембран часто является причиной высокого энергопотребления, а также снижения производительности МД7. Мембраны MD, идеально спроектированные для обеспечения высоких характеристик, должны отвечать следующим требованиям, а именно: низкое сопротивление паропроницаемости, небольшая толщина, низкая теплопроводность, высокая гидрофобность, а также превосходная механическая стабильность и долговечность8,9. Осознание взаимосвязи, а иногда и противоречивого влияния многих параметров имеет решающее значение при разработке высокоэффективных МД-мембран. Таким образом, для разработки эффективной мембраны МД необходимо одновременно учитывать все вышеперечисленные критерии. Например, хотя ожидается, что более тонкая мембрана MD снизит сопротивление массообмену, небольшая толщина часто демонстрирует низкие механические свойства и увеличивает кондуктивные тепловые потери, особенно в случае DCMD10. Поэтому было проведено множество теоретических исследований не только для понимания влияния параметров, но и для их оптимизации для достижения максимально возможных характеристик MD11,12.