後処理中の動的カルシウム-カルボキシル架橋による高性能薄膜複合ナノろ過膜の作製

Fabrication of High-Performance Thin-Film Composite Nanofiltration Membrane by Dynamic Calcium-Carboxyl Intra-Bridging during Post-Treatment.

• Hongyi Han
• Ruobin Dai
• Zhiwei Wang

抄録

ナノろ過(NF)や逆浸透膜(RO)をベースとした浄水・脱塩プロセスの普及に伴い、高性能な薄膜複合膜(TFC)の開発が求められている。本研究では、加熱後処理にCaを導入することで高性能な薄膜複合ナノろ過膜を作製するための新規かつ簡便な改質方法を提案した。本研究では、Caを導入することで、Ca-カルボキシル架橋が誘導され、ポリアミド(PA)層中にCaが埋め込まれることを明らかにした。この後処理により、NF膜の親水性と表面電荷が原始膜に比べて向上した。さらに興味深いことに、修飾された膜は、より多くのノジュールを有し、より粗い形態を示した。このようなCa添加による変化は、高い選択性（NaSO拒絶率98.0％）を維持しつつ、透水性の大幅な向上（17.9L・m・h・barから29.8L・m・h・barに増加）を可能にした。さらに、カルシウムとカルボキシルの架橋により、アルギン酸ナトリウム水溶液のろ過時に4.2%(NF-対照16.7%)と、より穏やかな透過率の低下を示し、明らかな防汚性を有するNF膜を得ることができた。この結果は、Ca-カルボキシルのイントラ架橋後処理を利用して、浄水・淡水化用の高性能TFC膜を作製できる可能性を示している。

Widespread applications of nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO)-based processes for water purification and desalination call for high-performance thin-film composite (TFC) membranes. In this work, a novel and facile modification method was proposed to fabricate high-performance thin-film composite nanofiltration membrane by introducing Ca in the heat post-treatment. The introduction of Ca induced in situ Ca-carboxyl intra-bridging, leading to the embedment of Ca in the polyamide (PA) layer. This post modification enhanced the hydrophilicity and surface charge of NF membranes compared to the pristine membrane. More interestingly, the modified membrane had more nodules and exhibited rougher morphology. Such changes brought by the addition of Ca enabled the significant increase of water permeability (increasing from 17.9 L·m·h·bar to 29.8 L·m·h·bar) while maintaining a high selectivity (NaSO rejection rate of 98.0%). Furthermore, the intra-bridging between calcium and carboxyl imparted the NF membranes with evident antifouling properties, exhibiting milder permeability decline of 4.2% (compared to 16.7% of NF-control) during filtration of sodium alginate solution. The results highlight the potential of using Ca-carboxyl intra-bridging post-treatment to fabricate high-performance TFC membranes for water purification and desalination.