逆浸透ポリアミド膜におけるマルチモーダル閉じ込め水力学

Nature Communications volume 13、記事番号: 2809 (2022) この記事を引用

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ポリアミド (PA) 膜は逆浸透による水の浄化と脱塩に広く普及していますが、閉じ込められた水とポリマーマトリックスの両方の動力学についての分子レベルの理解は依然としてとらえどころがありません。 界面重合によって形成された PA 膜の緻密な階層構造にもかかわらず、以前の研究では、水の拡散はバルク水に対してほとんど変化しないことが示唆されています。 ここでは、中性子分光法を利用して正確な水和条件下で PA 膜を調査し、一連の同位体コントラストを使用して、ps-ns の時間スケールと Å-nm の長さスケールにわたる水の輸送とポリマーの緩和を解明します。 私たちは、PA膜中の水の多峰性拡散性質を初めて実験的に解明しました。(減速した)並進ジャンプ拡散に加えて、長距離モードと局所モードを観察し、その幾何学的形状と時間スケールを定量化しました。 PA マトリックスは、水の拡散で観察されるナノスケールの閉じ込めに匹敵する回転緩和を示すこともわかりました。 この包括的な「拡散マップ」は分子およびナノスケールのシミュレーションを固定し、調整可能な性能を備えた PA 膜の予測設計を可能にします。

地球上の水供給量の 1% 未満に相当する「淡水」1 の不足は、現代の最も差し迫った社会課題の 1 つであり、人間の消費、農業、産業のための水の需要が増加するにつれて、さらに増大すると予想されています。 高分子膜は、水の脱塩などの分離および精製プロセスで広く使用されています2、3、4。 逆浸透 (RO) 膜プロセス、特に薄膜複合材料 (TFC) 芳香族ポリアミド (PA) 膜を使用するプロセスは、高いエネルギー効率に加えて比較的高い選択性と透過性を提供し、この課題に対処する上で重要な役割を果たします 1。 これらの膜の活性層は一般に、粗くてしわくちゃの高度に架橋された PA フィルムであり、芳香族ジアミン (m-フェニレンジアミン、MPD) と塩化トリメソイル (TMC) の間の水性/有機界面での界面重合 (IP) によって形成されます。 ）、全体の厚さは数百 nm で、厚い多孔質の非選択層によってサポートされています。 RO の普及、新規材料の発見とエンジニアリング 5、6、およびプロセス設計と効率の最適化 1、6、7 にもかかわらず、分離性能をさらに向上させることは依然として簡単ではありません。 部分的には、これは、膜内に閉じ込められた水の動態、PAマトリックスの緩和、および我々が解決しようとしているそれらの可能性のある結合についての分子レベルの理解が驚くほど欠如していることに起因します。

活性層を通る輸送は、一般に溶液拡散マクロスケールモデル 2,8 によって記述されます。このモデルでは、活性層が実質的に非多孔質であり、水と塩が膜内に分配され、化学ポテンシャル勾配に沿って拡散し、最終的には透過物に脱離すると仮定しています。 。 このような記述的なエンジニアリング モデルは、実験的に測定された定数によってパラメーター化され、さまざまな膜、調製方法、およびコンディショニング プロセスを比較できるようになります。 しかし、活性層のナノ構造（または「形状」）とポリマーマトリックス内の固有の水輸送の重要性は広く認識されており9、ハイブリッド粗粒化PAモデルに組み込まれています。

IP による PA 膜形成は、クラスター形成、拡散律速凝集、パーコレーションのメカニズムによって動的に進行し、その結果、細孔サイズの分布、官能基の非対称性、および表面分極を伴うよく知られた不均一な膜構造が形成されます 10、11、12、13。 、14、15、16、17、18。 TMC/MPD オリゴマー「クラスター」は、形成および合体して低密度構造内に高密度クラスターの「凝集膜」を生成すると考えられており、これは分析的および数値的にモデル化されています 14、15、19、20。 したがって、このような「集合体」および「ネットワーク」細孔、ならびに「ラグーン」は、膜内のポリマー密度が変化するこれらの領域によって調節される、複雑な水輸送プロセスを課すことが予想されます11,12,13,21,22,23,24。 。