光固化3D打印制備防結(jié)垢的分離膜

作者：杜鵬
來源：光固化新材料  

用于液體分離的膜材料得到越來越廣泛的應(yīng)用，包括從小規(guī)模的微流體設(shè)備到大規(guī)模的水處理和廢物回收。而在膜的表面及內(nèi)部所形成的材料累積所導(dǎo)致的結(jié)垢現(xiàn)象，是這一應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。結(jié)垢現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致通量降低，能耗增加及產(chǎn)品品質(zhì)的降低，同時(shí)也會(huì)增加膜清理和膜更換的操作成本。在一個(gè)典型的超濾單元中，結(jié)垢問題帶來的成本最多會(huì)占到總運(yùn)營成本的50%。為了恢復(fù)膜的性能，常會(huì)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(xué)清洗劑的頻繁使用，不僅帶來嚴(yán)重的健康和環(huán)境問題，同時(shí)也會(huì)影響到膜材料的持久性和完整性。因此，采用可持續(xù)的污垢消除或緩解方法來延長膜的使用壽命，同時(shí)減少水、化學(xué)品和能量消耗的方法就受到了特別關(guān)注。

采用對(duì)膜的表面性能進(jìn)行化學(xué)或結(jié)構(gòu)的改變來減緩結(jié)垢的方法得到了廣泛的研究。對(duì)于膜表面進(jìn)行化學(xué)改造的方法業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，但當(dāng)膜表面一旦結(jié)垢之后，防結(jié)垢層就會(huì)失去功能。而不使用化學(xué)品的對(duì)膜表面進(jìn)行圖案化的方法，可以在膜表面促進(jìn)流體剪切應(yīng)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(xué)(University of Bath)的Y.M. John Chew等人創(chuàng)新性的把計(jì)算機(jī)建模和3D打印相結(jié)合的方式，來設(shè)計(jì)和制造防結(jié)垢的復(fù)合材料功能膜。這一方法首先用計(jì)算流體力學(xué)模擬設(shè)計(jì)出波紋狀的支撐結(jié)構(gòu)，在用工業(yè)級(jí)的多頭3D打印機(jī)，使用UV固化的聚氨酯丙烯酸酯齊聚物來打印這個(gè)支撐材料。再將超濾聚醚砜選擇性薄膜沉積到這個(gè)支撐材料上面，從而得到一個(gè)具有很好防結(jié)垢性能的復(fù)合材料滲透膜。

圖1 復(fù)合材料滲透膜的制備流程示意圖

環(huán)狀支撐材料的多孔區(qū)域首先通過Autodesk Inventor Professional軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到所需要的孔徑、孔距和孔數(shù)。通過OpenScad軟件來設(shè)計(jì)波紋狀結(jié)構(gòu)，之后再對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gè)內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，表面為波紋狀的支撐材料。再用非誘導(dǎo)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(gè)膜層復(fù)合到支撐材料上面。這種方式所得到的復(fù)合材料膜在膜表面形成了很高的剪切應(yīng)力和局部渦流，從而大大減少了污物對(duì)于表面的吸附，同時(shí)增加了錯(cuò)流的清潔功能。

實(shí)驗(yàn)表明，這種復(fù)合材料膜的滲透恢復(fù)率和總滲透衰減比都得到了極大的提高。這種波紋狀結(jié)構(gòu)的防結(jié)垢性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于平面結(jié)構(gòu)的膜。在十次完整的循環(huán)測(cè)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(shè)計(jì)的波紋狀表面結(jié)構(gòu)的3D打印復(fù)合材料薄膜，可以完全替代用化學(xué)處理方法來制備具有很好防結(jié)垢性能的滲透膜材料。

參考資料
Mazinani, S., Al-Shimmery, A., Chew, Y. M. J., & Mattia, D. (2019). 3D Printed Fouling-resistant Composite Membranes. ACS Applied Materials & Interfaces. doi:10.1021/acsami.9b07764


作者簡介
杜鵬，四川大學(xué)高分子碩士，香港科技大學(xué)MBA，曾在德國WHU商學(xué)院及墨西哥IPADE商學(xué)院學(xué)習(xí)。從事光固化行業(yè)20余年，曾先后在全球最領(lǐng)先的兩家光固化企業(yè)任職，并曾從事技術(shù)、銷售和管理工作。常在各種會(huì)議和論壇上作報(bào)告，并為在校大學(xué)生講解光固化課程�，F(xiàn)任潤奧化工總經(jīng)理。馬拉松和鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)選手。