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在全球范围内,水源压力逐渐增高。人口增加只会加速这一问题的紧迫性。目前,技术创新正在致力于解决此问题。海水淡化是一个解决方案,但迄今为止,这个过程已经被证明是非常昂贵和耗能的,所以它只适用于水资源最严重短缺的时候。
水净化,包括海水淡化,使用反渗透或通过包含薄膜复合聚酰胺膜的滤芯来处理海水。这些膜捕获盐和其他杂质,使淡水流过。放入墨盒中的膜会产生压力以迫使水流过,膜的过程效率会更高。膜的设计和制造进展有助于降低海水淡化所涉及的复杂性和成本。
一些研究人员正在寻求通过添加剂制造创造任何几何复杂形状或特征的膜。巴斯大学(英国)高级分离工程中心(CASE)的研究人员专注于使用添加剂制造开发分离膜工程的潜力,希望创造出比目前制造方法更准确的设计。
目前,膜主要通过称为“界面聚合”的方法生产,其将聚合物的薄致密层涂覆在支撑膜的表面上(其通常通过相转化形成)。膜结构控制的局限性意味着研究人员不能严格控制膜的设计,但是由于该方法已被广泛研究并被很好地理解,所以仍然是制造膜的首选工艺。
用于反渗透的3D打印膜的研究刚刚开始。以前的研究已经证明了添加剂制造技术在制备具有复杂3D几何体强度的膜应用的内部特征。关键是在设计过程中完全自由。
巴斯大学高级分离工程中心(CASE)主任Darrell Patterson博士告诉记者,3D打印膜具有传统制造的膜没有的许多优点。
他说:“新的3D打印设计可以通过印刷图案或自然灵感设计来减少膜污染,以减少结垢或浓缩极化,并增加透过膜的渗透。”
CASE团队着手从文献中回顾了使用目前所有添加剂制造方法生产的膜的优缺点,包括基于分辨率、精度、构造尺寸、速度、光聚合打印材料、粉末、材料挤出、层压、机械性能,支持和成本。
研究人员指出,3D打印技术尚未达到能够生产与现有产品具有成本竞争力的大型膜的能力,但他们的工作突出了技术的潜力。
展望未来,添加剂制造可用于制造通过选择性地将进料引导到分离子分子组的膜和减少结垢的特定部分的膜材料。其他部分可以用具有不同性质的不同材料打印,将不同的分子子集分开在同一张纸上。容纳膜的表面变形也可以更容易,当前的制造方法可以参与制造不太容易堵塞的膜。
添加剂制造也可以解决与反渗透中使用的高压相关的问题,特别是当需要脱盐水时,取决于要去除的盐浓度,达到50-80巴。
“目前的膜能够适应这些[压力],”Patterson告诉小编。“我可以想象,未来的3D打印材料更加机械坚固,因此与现有材料相比,变形较小或受压力影响较小。”
与传统原型相比,快速原型设计在速度、效率和定制方面也可能是一个优势。CASE团队发现,3D打印不仅可以生产膜,而且可以生产间隔物和整个膜组件,这可能会降低总体生产时间。
此外,用于生产膜的AM工艺可以使得在制造期间控制表面和界面上的两种或更多种材料的组成,从而允许物理性质和特性的位置变化,例如材料的多个交替层或选择性分布另一种材料提高膜的性能。
2017年2月,研究人员将标题为“3D打印分离膜与相关非常规制作技术的比较”的论文发表在“膜科学”杂志上。
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面对日趋严重的水资源短缺问题,包括纳滤和反渗透在内的高压膜技术在饮用水、再生水处理以及海水、苦咸水淡化等方面逐渐得到了广泛应用。膜污染是膜分离过程中存在的普遍现象,会导致出水水质变差、膜使用寿命缩短、运行成本增加等问题,因此需要对膜污染机理进行深入解析并研发抑制或缓解膜污染的有效手段。膜污染的形成由膜表面性质、进水水质和运行条件共同决定,故通常也从这三方面进行膜污染控制。
水处理反渗透设备高/低压保护,是为了防止RO高压泵空转或在超过极限高/低压下工作。
反渗透膜元件一般情况下,可以使用2~3年左右。若想延长使用寿命,可对反渗透膜元件进行清洗,通常分为物理冲洗和化学冲洗两种方式,当物理冲洗已经不能使反渗透膜的性能恢复,就应该需进行化学清洗了。
反渗透系统制取纯水有个特点:反渗透膜的实际产水量受温度的影响变化较大。大多数实验室超纯水机或反渗透纯水设备产水量是按反渗透膜在25℃进水温度下的标准产水量来标注的。温度变低,水的粘度增加,水的扩散性减弱,产水量也随着温度下降而降低。
没有水就没有生命。根据世界水资源研究所发布的报告,目前全球有超过10亿人生活在缺水地区,到2025年将有35亿人面临缺水。我国沿海地区水资源短缺,随着国民经济和社会发展,沿海地区对淡水资源的需求日趋迫切,仅靠长距离调水难以彻底解决。海水淡化作为水资源增量技术,是沿海缺水地区解决水源短缺问题的重要选择,并且相关技术可拓展应用至苦咸水开发保护利用、污水资源化利用、工业用水高效循环利用等领域,助力生态文明建设,产业发展前景广阔。
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