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光固化3D打印制備防結垢的分離膜

  用于液體分離的膜材料得到越來越廣泛的應用,包括從小規模的微流體設備到大規模的水處理和廢物回收。而在膜的表面及內部所形成的材料累積所導致的結垢現象,是這一應用的最大挑戰。結垢現象會導致通量降低,能耗增加及產品品質的降低,同時也會增加膜清理和膜更換的操作成本。在一個典型的超濾單元中,結垢問題帶來的成本最多會占到總運營成本的50%。為了恢復膜的性能,常會使用酸性或堿性的清洗劑來弱化及清理污垢沉積物。這些化學清洗劑的頻繁使用,不僅帶來嚴重的健康和環境問題,同時也會影響到膜材料的持久性和完整性。因此,采用可持續的污垢消除或緩解方法來延長膜的使用壽命,同時減少水、化學品和能量消耗的方法就受到了特別關注。

  采用對膜的表面性能進行化學或結構的改變來減緩結垢的方法得到了廣泛的研究。對于膜表面進行化學改造的方法業界已經進行了廣泛的測試,但當膜表面一旦結垢之后,防結垢層就會失去功能。而不使用化學品的對膜表面進行圖案化的方法,可以在膜表面促進流體剪切應力,并在膜表面形成局部渦流,從而大大減少或減慢污垢的形成。


  英國巴斯大學(University of Bath)的Y.M. John Chew等人創新性的把計算機建模和3D打印相結合的方式,來設計和制造防結垢的復合材料功能膜。這一方法首先用計算流體力學模擬設計出波紋狀的支撐結構,在用工業級的多頭3D打印機,使用UV固化的聚氨酯丙烯酸酯齊聚物來打印這個支撐材料。再將超濾聚醚砜選擇性薄膜沉積到這個支撐材料上面,從而得到一個具有很好防結垢性能的復合材料滲透膜。

圖1 復合材料滲透膜的制備流程示意圖

  環狀支撐材料的多孔區域首先通過Autodesk Inventor Professional軟件進行設計,得到所需要的孔徑、孔距和孔數。通過OpenScad軟件來設計波紋狀結構,之后再對這兩種結構進行疊加。

  3D打印工藝完成之后,孔中所填充的氫化蠟材料被溶劑脫除,從而形成一個內部為多孔結構,表面為波紋狀的支撐材料。再用非誘導相分離的方式來制作聚醚砜的選擇性膜層,之后使用真空方式,將這個膜層復合到支撐材料上面。這種方式所得到的復合材料膜在膜表面形成了很高的剪切應力和局部渦流,從而大大減少了污物對于表面的吸附,同時增加了錯流的清潔功能。

  實驗表明,這種復合材料膜的滲透恢復率和總滲透衰減比都得到了極大的提高。這種波紋狀結構的防結垢性能遠遠好于平面結構的膜。在十次完整的循環測試之后,這種膜還能夠保持初始滲透率的88%,所使用的清潔劑僅僅是水。采用這種特殊設計的波紋狀表面結構的3D打印復合材料薄膜,可以完全替代用化學處理方法來制備具有很好防結垢性能的滲透膜材料。

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