膜蒸留性能向上のためのナノ材料修飾膜の最近の進展

Recent Developments in Nanomaterials-Modified Membranes for Improved Membrane Distillation Performance.

• Saikat Sinha Ray
• Harshdeep Singh Bakshi
• Raghav Dangayach
• Randeep Singh
• Chinmoy Kanti Deb
• Mahesh Ganesapillai
• Shiao-Shing Chen
• Mihir Kumar Purkait

抄録

膜蒸留(MD)は、蒸気圧の変化を利用して、より揮発性の高い成分、典型的には水を蒸気として疎水性の膜に浸透させ、供給物の揮発性の低い成分を拒絶する熱的に誘導された膜分離プロセスです。透過液のフラックスの減少、膜のファウリング、および濡れは、ＭＤ操作で直面するいくつかの深刻な課題である。したがって、近年、これらの課題を克服し、これらの膜の性能を大幅に向上させるために、ナノ材料を組み込むことにより、これらのMD膜の改質に関する様々な研究が行われてきた。本レビューでは、量子ドット、メタルロイド、金属酸化物ベースのナノ粒子、金属有機フレームワーク(MOF)、炭素ベースのナノ材料などの新世代ナノ材料をMD膜に組み込むことについて総合的に評価した。MD膜に求められる特性、例えば、より高い液入口圧力(LEPw)、透過性、多孔性、疎水性、化学的安定性、熱伝導性、機械的強度などについて徹底的に議論してきた。さらに、表面グラフト法、プラズマ重合法、界面重合法、ディップコーティング法などのナノ材料を膜に組み込むために採用された方法論と、様々なMD操作におけるこれらの修飾膜の有効性とその応用についても言及している。さらに、ナノ材料を用いたMD膜の修飾における現在の課題と将来の顕著な側面についても体系的に説明した。

Membrane distillation (MD) is a thermally induced membrane separation process that utilizes vapor pressure variance to permeate the more volatile constituent, typically water as vapor, across a hydrophobic membrane and rejects the less volatile components of the feed. Permeate flux decline, membrane fouling, and wetting are some serious challenges faced in MD operations. Thus, in recent years, various studies have been carried out on the modification of these MD membranes by incorporating nanomaterials to overcome these challenges and significantly improve the performance of these membranes. This review provides a comprehensive evaluation of the incorporation of new generation nanomaterials such as quantum dots, metalloids and metal oxide-based nanoparticles, metal organic frameworks (MOFs), and carbon-based nanomaterials in the MD membrane. The desired characteristics of the membrane for MD operations, such as a higher liquid entry pressure (LEPw), permeability, porosity, hydrophobicity, chemical stability, thermal conductivity, and mechanical strength, have been thoroughly discussed. Additionally, methodologies adopted for the incorporation of nanomaterials in these membranes, including surface grafting, plasma polymerization, interfacial polymerization, dip coating, and the efficacy of these modified membranes in various MD operations along with their applications are addressed. Further, the current challenges in modifying MD membranes using nanomaterials along with prominent future aspects have been systematically elaborated.