역삼투 폴리아미드 막의 다중 모드 제한 수역학

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2809(2022) 이 기사 인용

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폴리아미드(PA) 멤브레인은 역삼투에 의한 수질 정화 및 담수화에 널리 사용되지만, 제한된 수역과 폴리머 매트릭스의 역학에 대한 분자 수준의 이해는 여전히 어렵습니다. 계면 중합에 의해 형성된 PA 막의 치밀한 계층 구조에도 불구하고 이전 연구에서는 물 확산이 벌크 물과 관련하여 크게 변하지 않은 것으로 나타났습니다. 여기에서는 중성자 분광법을 사용하여 정확한 수화 조건과 일련의 동위원소 대비에서 PA 멤브레인을 조사하여 ps-ns 시간 척도 및 Å-nm 길이 척도에 걸친 물 수송 및 폴리머 이완을 설명합니다. 우리는 처음으로 PA 멤브레인에서 물의 다중 모드 확산 특성을 실험적으로 해결했습니다. (느린) 병진 점프 확산 외에도 우리는 기하학과 시간 척도를 정량화하는 장거리 및 국부 모드를 관찰합니다. PA 매트릭스는 또한 물 확산에서 관찰되는 나노 규모의 감금에 상응하는 회전 이완을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 이 포괄적인 '확산 맵'은 분자 및 나노 규모 시뮬레이션을 고정할 수 있으며 조정 가능한 성능으로 PA 멤브레인의 예측 설계를 가능하게 합니다.

지구 물 공급량의 1% 미만에 해당하는 "신선한" 물의 부족은 우리 시대의 가장 시급한 사회적 과제 중 하나이며, 인간 소비, 농업 및 산업에 필요한 물 수요가 증가함에 따라 그 문제도 더욱 커질 것으로 예상됩니다. 고분자막은 담수화를 포함한 분리 및 정제 공정에 광범위하게 사용됩니다2,3,4. 특히 TFC(박막 복합재) 방향족 폴리아미드(PA) 멤브레인을 사용하는 역삼투(RO) 멤브레인 공정은 높은 에너지 효율성과 비교적 높은 선택성과 투과성을 제공하며 이러한 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다1. 이들 막의 활성층은 일반적으로 방향족 디아민(m-페닐렌디아민, MPD)과 트리메소일 클로라이드(TMC) 사이의 수성/유기 계면에서 계면 중합(IP)에 의해 형성된 거칠고 구겨진 고도로 가교된 PA 필름입니다. ), 두꺼운 다공성 비선택적 층에 의해 지지되는 전체 두께가 수백 nm입니다. RO의 광범위한 사용, 새로운 재료의 발견 및 엔지니어링5,6, 공정 설계 및 효율성 최적화1,6,7에도 불구하고 분리 성능을 더욱 향상시키는 것은 여전히 ​​중요합니다. 부분적으로 이는 막 내에 제한된 물 역학, PA 매트릭스 완화 및 가능한 결합에 대한 분자 수준의 이해가 놀랍도록 부족하기 때문입니다.

활성층을 통한 전달은 일반적으로 용액-확산 거시적 규모 모델2,8에 의해 설명됩니다. 이 모델에서는 활성층이 효과적으로 비다공성이며 물과 염분이 막으로 분배되고 화학 전위 구배를 따라 확산되어 결국 투과물로 탈착된다고 가정합니다. . 이러한 기술적인 엔지니어링 모델은 실험적으로 측정된 상수에 의해 매개변수화되어 다양한 멤브레인, 준비 방법 및 컨디셔닝 프로세스를 비교할 수 있습니다. 그러나 활성층 나노구조(또는 "기하학")와 폴리머 매트릭스 내 고유의 물 수송의 중요성은 널리 인식되어 있으며9 하이브리드 거친 PA 모델에 통합되었습니다.

IP를 통한 PA 막 형성은 클러스터 형성, 확산 제한 응집 및 퍼콜레이션 메커니즘을 통해 동적으로 진행되어 기공 크기, 작용기 비대칭 및 표면 분극 분포가 있는 잘 알려진 불균일한 필름 구조를 생성합니다10,11,12,13 ,14,15,16,17,18. TMC/MPD 올리고머 "클러스터"는 분석적이고 수치적으로 모델링된 저밀도 구조 내에서 조밀한 클러스터의 "일관된 필름"을 생성하기 위해 형성되고 합쳐지는 것으로 생각됩니다14,15,19,20. 따라서 이러한 "집합" 및 "네트워크" 기공과 "라군"은 복잡한 물 수송 과정을 부과할 것으로 예상되며, 막 내에서 다양한 폴리머 밀도를 갖는 이러한 영역에 의해 조절됩니다. .