逆浸透膜の表面電荷制御によるシリカ・有機物ファウリング対策

Surface charge regulation of reverse osmosis membrane for anti-silica and organic fouling.

• Shu Wang
• Changjun Mu
• Kang Xiao
• Xianzheng Zhu
• Xia Huang

抄録

汽水処理における逆浸透膜（RO）では、溶存シリカや有機物が主なファウリング要因となっている。無機ファウリングと有機ファウリングのメカニズムは明らかにされているが、シリカと有機ファウリングを複合化した耐シリカ・有機ファウリング膜については、これまであまり研究されていなかった。本研究では、表面電荷の異なる膜を作製した。より負の表面電荷を持つ膜（-COOH）、アクリル酸（AA）膜をレドックスフリーラジカルグラフト法により作製した。エチルアミン(EA)、エチレンジアミン(ED)は、中性またはそれ以下の負の表面電荷を持つ膜を、-CH3または-NH2官能基グラフト法により作製した。得られた表面改質膜を物理化学的特性と防汚性能の観点から評価した。表面改質膜は原始膜と比較して、透水性を犠牲にすることなく、より優れた塩分除去性能を有していた。また、AA膜は、物理的なリンス後の水流束回収率が高く、防汚性に優れていた。一方、EA膜とED膜ではファウリングが悪化した。EAおよびED膜表面のゲル状のファウリング構造とは異なり、AA膜はより乱れた粒状構造を呈していた。また、ファウリング層の分析から、AA膜表面にはシリカのスケーリングや有機ファウリングが少ないことが明らかになった。また、親水性に優れた単三膜の防汚性は、フラックスの減少と膜特性の回帰によると、主に表面電荷が負になることに起因していることがわかった。重要なことは、シリカ-有機複合ファウリングにおいて、静電相互作用が支配的なファウリングメカニズムであることを提案した。その結果、負の表面電荷が多くなると、AA膜はファウリング物質の沈着や悪化を防ぎ、膜ファウリングを緩和する傾向があった。本研究は、無機・有機ファウリング防止のためのシンプルで実用的なRO膜作製法を提供するものである。

Dissolved silica and organic matter are major foulants in reverse osmosis (RO) in brackish water treatment. Though the mechanism of inorganic and organic fouling has been clear, combined silica-organic fouling-resistant membrane have been poorly investigated. In this study, we fabricated membranes with different surface charge. More negatively surface charged membrane (-COOH), acrylic acid (AA) membrane was fabricated through redox free radical grafting method. Ethylamine (EA) and ethylenediamine (ED) membranes with neutral or less negative surface charge were fabricated through -CH3 or -NH2 functional groups grafting. The surface modified membranes were characterized in terms of physicochemical properties and antifouling performance. Compared with the pristine membrane, all the modified membranes possessed better salt rejection without sacrificing water permeability. The AA membrane also showed better antifouling property and higher water flux recovery after physical rinsing. On the other hand, fouling on the EA and ED membranes were aggravated. Unlike the gel-like foulant structure on the EA and ED membrane surfaces, the AA membrane presented more disordered granular structure. Analysis of fouling layer has also proved that there was less silica scaling and organic foulants on the AA membrane surface. Despite the outstanding hydrophilicity of the AA membrane, its antifouling property was mainly attributed to the more negative surface charge, according to regression between flux decline and membrane characteristics. Importantly, we proposed that electrostatic interaction was the dominant fouling mechanism in the combined silica-organic fouling. With more negative surface charge, the AA membrane was prone to prevent foulants from depositing and aggravating, so as to mitigate membrane fouling. Our research provides a simple and practical approach to RO membrane fabrication for anti-inorganic and organic.

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