常圧X線光電子分光法による海水淡水化膜における水とポリアミドの化学的相互作用の解明

Water-polyamide chemical interplay in desalination membranes explored by ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy.

• Sabrina M Gericke
• William D Mulhearn
• Dana E Goodacre
• Joseph Raso
• Daniel J Miller
• Lauryn Carver
• Slavomír Nemšák
• Osman Karslıoğlu
• Lena Trotochaud
• Hendrik Bluhm
• Christopher M Stafford
• Christin Buechner

抄録

芳香族ポリアミド膜を用いた逆浸透膜は、海水淡水化のための最も重要な技術である。逆浸透膜の性能は、膜表面の化学基と水や水質汚染物質との相互作用に大きく依存している。本研究では、逆浸透膜のメカニズムをより深く理解するために、常圧X線光電子分光法を用いて、逆浸透膜と化学的に類似した極薄ポリアミド膜の研究を行っています。この手法を用いることで、膜-水界面の官能基を同定し、水との相互作用を示す電子結合エネルギーの微少な変化をモニターすることができる。膜を水蒸気にさらすと、遊離酸基が脱プロトン化し、ポリマー中に窒素基との「水複合体」が形成されるのを観測した。この化学変化は膜から水を除去すると逆になる。官能基と水の取り込みとの相関関係は確立されていますが、この実験はそれらの化学的相互作用の性質を理解するのに役立ち、将来の材料を特定の要件に合わせて調整する可能性を開きます。

Reverse osmosis using aromatic polyamide membranes is currently the most important technology for seawater desalination. The performance of reverse osmosis membranes is highly dependent on the interplay of their surface chemical groups with water and water contaminants. In order to better understand the underlying mechanisms of these membranes, we study ultrathin polyamide films that chemically resemble reverse osmosis membranes, using ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy. This technique can identify the functional groups at the membrane-water interface and allows monitoring of small shifts in the electron binding energy that indicate interaction with water. We observe deprotonation of free acid groups and formation of a 'water complex' with nitrogen groups in the polymer upon exposure of the membrane to water vapour. The chemical changes are reversed when water is removed from the membrane. While the correlation between functional groups and water uptake is an established one, this experiment serves to understand the nature of their chemical interaction, and opens up possibilities for tailoring future materials to specific requirements.