НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Количество проблем, связанных с нехваткой воды из-за засух, продолжает увеличиваться, поэтому возрастает привлекательность использования очищенных сточных вод в дополнение к обычному водоснабжению.

Традиционные процессы очистки сточных вод, устраняющие загрязняющие вещества, используют биологическую обработку и разделение под действием силы тяжести, и они требуют много труда для того, чтобы вода стала вновь пригодной для повторного использования. Для фильтрации загрязненной воды используются нановолоконные мембраны, которые имеют поры меньшего диаметра, чем большинство бактериальных клеток. Однако, поскольку частицы загрязняющих веществ и микробы, присутствующие в обрабатываемой воде, накапливаются на поверхности мембраны, требуется всё больше энергии для прокачки через неё воды.

Исследователи из инженерной школы USC Viterbi разрабатывают новый способ борьбы с обрастанием мембран. Используя электрическую стимуляцию мембран из нановолокон, специалисты школы: Адам Смит, Стефани Джи и выпускник USC Витерби Бенджамин Джонсон, показали, что могут уменьшить загрязнение и снизить давление, необходимое для проталкивания воды. Этот метод способен снизить расходы на водопользование и связанные с ним иные затраты.

«Мы включаем электрическое поле, чтобы заставить мембрану вибрировать», - говорит Смит, «Затем вибрация отталкивает микробную биомассу и частицы, которые потенциально могут засорить или загрязнить мембрану».

В отличие от обычных способов фильтрации, использующих как колонны с гранулированным активированным углем или быструю фильтрацию через песок, нановолоконная мембранная фильтрация осуществляется через меньшие по размеру поры, которые лучше удаляют частицы. Со временем объем частиц, собирающихся на поверхности мембраны, растет, препятствуя прохождению воды. Это заставляет прокачивающий насос работать более интенсивно для создания достаточного для проталкивания воды через мембрану давления, поэтому, со временем насосом потребляется всё больше энергии.

Существующие методы регенерации мембраны включают в себя очистку или замену мембраны, которая может быть дорогостоящей, или осуществляются путем «барботирования» - процесса, при котором газ барботируется через мембрану для вытеснения из неё частиц. Смит и Джи предлагают новое решение - электрическое стимулирование мембраны для создания вибрационно-подобной реакции, препятствующей прилипанию или засорению поры частицами.

Мембрана, изготовленная из фторопласта, называемого поливинилиденфтором или PVDF, изготавливается методом электроспиннинга, при котором полимерный раствор закачивается через иглу и подвергается воздействию высоковольтного источника питания.

«Когда вы формуете волокно PVDF под высоким напряжением электрического поля, фторполимер переходит из стабильной кристаллической фазы PVDF к пьезоактивной кристаллической бета-фазе», - говорит Смит.

Материалы с электроактивными или пьезоэлектрическими свойствами были использованы для генерации электрического заряда при приложении механической силы. Но исследователи USC Viterbi используют этот эффект в обратном порядке. Когда к их фторопластовой мембране прилагают переменный ток, мембрана деформируется.

«Вы можете иметь представление об этом процессе как о растяжениях и сжатиях, происходящих в очень небольших объемах кристаллической структуры. Но, в целом, мы подозреваем, что ответ пьезополимерных волокон на электрическое воздействие можно рассматривать как вибрацию, в которой все волокна участвуют одновременно» - говорит Джи.

В отличие от ранее разработанных электроактивных мембран, методы производства исследователей USC Viterbi предлагают более экономически эффективную альтернативу. Благодаря электроформованию, ПВДФ в волокнах достигает более высокого содержания бета-фазы и имеет постоянные пьезоэлектрические свойства.

Чтобы оптимизировать мембрану, исследователи протестировали различные условия электроформования, такие как сила электрического поля и высота шприца над коллектором. Они также пробовали разные полимерные растворители, различающиеся степенью токсичности и частотой применения на практике. Ученые обнаружили, что все три использованных растворителя уменьшают давление, необходимое для прокачки воды через мембрану при пьезоэлектрической активации. Их результаты были опубликованы в номере Journal of Membrane Science от 1 октября. Дальнейшие испытания показали, что, хотя менее опасный растворитель не уменьшал давление на столько же, на сколько и два других, тем не менее он потенциально лучше подходил для долгосрочного использования.

«Мы пытаемся исследовать, как выглядит в принципе активация, - говорит Джи. «Мы хотим лучше понять поведение материала, чтобы лучше понять механизм предотвращения обрастания для оптимизации мембраны под процессы очистки воды».

 

Источник: USC Viterbi