Jak lze snížit znečištění membrán při filtraci pomocí piezoelektrických PVDF membrán?

V průmyslových aplikacích, zejména při separaci kapalin a čištění vody, se tlakem řízené membránové separační technologie staly nepostradatelným nástrojem. Mezi nejčastější překážky této technologie však patří zanášení membrán, jež zásadně ovlivňuje účinnost, zvyšuje energetickou náročnost a náklady na údržbu. Z tohoto důvodu je hledání efektivních metod ke zmírnění tohoto jevu předmětem intenzivního výzkumu.

PVDF (polyvinylidendifluorid) membrány, známé pro svou chemickou stabilitu a mechanickou pevnost, vykazují také piezoelektrické vlastnosti. Právě těch lze využít jako aktivního mechanismu ke snížení znečištění membrán. Piezoelektrický efekt, při němž dochází k vytváření elektrického signálu v důsledku mechanického tlaku a naopak k mechanické deformaci pod vlivem elektrického pole, umožňuje aktivaci membrány za účelem odstranění usazenin.

Jedním z průlomových přístupů bylo využití střídavého napětí aplikovaného na obě strany PVDF membrány, což způsobilo mikrodeformace povrchu membrány mimo rovinu. Tento jev zabraňuje sedimentaci organických i anorganických částic na povrchu a snižuje riziko biofoulingu, což je zvláště významné v aerobních a anaerobních bioreaktorech. Membrána tak aktivně reaguje na tlakové impulzy proudící kapaliny, transformuje je do změn elektrického potenciálu a tím ovlivňuje interakci s nabitými nečistotami.

V laboratorních experimentech, například ve studii skupiny Cui, bylo systematicky zkoumáno chování β-krystalické fáze piezoelektrických PVDF membrán ve vztahu k amplitudě vibrací a filtračnímu výkonu v anaerobních membránových bioreaktorech. Membrány dokázaly účinně přeměnit přirozené hydraulické pulzy do dynamických změn elektrického pole na svém povrchu, což napomáhá k elektrostatickému odpuzování znečišťujících látek.

Při přeměně stejnosměrného elektrického pole na střídavé dochází k vibračnímu efektu přímo v tělese membrány. Tento vysokofrekvenční pohyb může vést až k vytvoření ultrazvukové kavitace, jež zvyšuje turbulentní proudění na povrchu membrány, narušuje hraniční vrstvy a tím významně omezuje koncentrační polarizaci. Takový způsob aktivace nejenže zabraňuje zanášení, ale také zajišťuje stabilní a zvýšený tok permeátu bez nutnosti zvyšování průtoku, který je energeticky náročný.

Důležitým aspektem tohoto přístupu je jeho materiálové zázemí. Krystalická fáze PVDF, zejména její β-modifikace, je klíčová pro dosažení požadovaných piezoelektrických vlastností. Modifikace obsahu β-fáze a následná polarizační úprava membrán umožňují přesné ladění povrchového elektrického potenciálu, což může mít vedle efektu proti zanášení také významné implikace v oblasti regenerativní medicíny, kde elektrická stimulace podporuje diferenciaci kmenových buněk.

Současně s vývojem nových materiálů a jejich elektrickou aktivací probíhá

Jak PTFE membrány ovlivnily moderní průmysl a vědecký výzkum

Polytetrafluorethylen (PTFE) je jedním z nejvíce využívaných materiálů v oblasti separačních membrán, díky svým vynikajícím vlastnostem, jako jsou chemická stabilita, odolnost proti vysokým i nízkým teplotám, nelepivost a výborná elektrická izolace. Tento materiál se v průmyslu používá již více než 80 let, a jeho vývoj se datuje do roku 1938, kdy chemik Roy Plunkett při výzkumu chladicích látek neúmyslně objevil PTFE. Tento objev zahájil komercializaci perfluoropolymérů a začal transformaci průmyslu. V roce 1945 byla společnost DuPont první, kdo syntetizoval PTFE, a to metodou polymerizace tetrafluorethylenových monomerů.

V současnosti se PTFE studuje a aplikuje v řadě výzkumných institucí po celém světě, mezi něž patří například americké společnosti Gore a Donaldson, japonská Sumitomo Electric a univerzity jako University of British Columbia nebo Zhejiang Sci-Tech University. Tyto instituce se zaměřují na vývoj PTFE membrán a jejich aplikace v oblasti oddělování kapalin a plynů, biomedicíny a nových energetických aplikací.

PTFE se vyznačuje nejen vynikající chemickou a tepelnou stabilitou, ale i extrémně nízkou povrchovou energií, což mu propůjčuje vysokou hydrofobnost. Tento materiál má nejnižší povrchovou energii mezi všemi pevných materiály, což znamená, že většina látek na jeho povrchu neulpívá. Díky tomu je PTFE výjimečně nelepivý a má velmi nízký koeficient tření, který činí pouze 0,04, což je jedním z důvodů, proč je považován za ideální materiál pro různé membránové procesy, jako je MD (membránová destilace), MC (membránová kondenzace) nebo MBR (biologické membránové reaktory).

Struktura PTFE

Molekulární struktura PTFE je tvořena dlouhým řetězcem (CF2–CF2)n, kde atomy fluoru (F) jsou uspořádány tak, že jejich elektrony odpuzují jeden druhého, což vede k uspořádání řetězců v šroubovici. Tato struktura zajišťuje vysokou tepelnou stabilitu, vysoký bod tání a vynikající mechanické vlastnosti. PTFE je odolný vůči téměř všem chemickým látkám, což z něj činí ideální materiál pro použití v agresivních chemických prostředích, jak v průmyslu, tak i v biomedicínských aplikacích.

Vlastnosti PTFE

Mezi hlavní vlastnosti PTFE patří jeho výjimečná odolnost proti vysokým i nízkým teplotám, chemická stabilita, minimální povrchové napětí a vynikající samo-mazací schopnosti. PTFE zůstává mechanicky stabilní až do teploty 250 °C a jeho nízká povrchová energie znamená, že se na něm těžko vytvářejí depozity nebo povlaky. Navíc díky vysokému koeficientu mazání je PTFE ideálním materiálem pro aplikace, kde je vyžadováno snížení tření, například v mechanických systémech nebo při výrobě filtrů.

Nicméně PTFE má také určité nevýhody. Patří sem jeho nízká tvrdost, malá pevnost v tahu (7-28 MPa) a nízká schopnost deformace, což omezuje jeho použití v některých náročných aplikacích. Také jeho vysoký stupeň smršťování při tvarování znamená, že pro jeho zpracování nejsou vhodné běžné metody jako vstřikování nebo lisování, které se používají pro jiné plasty. Tento problém omezuje možnosti rozšíření použití PTFE v některých odvětvích.

Typy PTFE membrán

Membrány z PTFE se používají v různých formách, mezi které patří ploché membrány, duté vlákno a trubkové membrány. Každý typ má své specifické vlastnosti a aplikace.

Duté vlákno PTFE je nejběžnějším materiálem pro membránové moduly. Tato membrána má tvar vlákna, které je samo-podporující, což z ní činí ideální volbu pro mnoho aplikací v filtraci a separaci. Duté vlákno je zvláště užitečné v mikrofiltračních aplikacích, kde se využívá jeho vysoká mechanická pevnost a schopnost odolávat chemikáliím.

Vzhledem k vynikajícím vlastnostem PTFE, zejména jeho hydrophobicitě a schopnosti odolávat teplu, je materiál vhodný pro výrobu pokročilých filtračních materiálů, jako jsou například membrány používané v vodotěsných, ale prodyšných tkaninách, jako je Gore-Tex.

Pokroky ve výzkumu PTFE membrán

I přes všechny výhody PTFE stále existují výzvy v jeho širší aplikaci. Výzkum se zaměřuje na metody, které by mohly zlepšit jeho zpracovatelnost a snížit některé z jeho fyzikálních omezení, jako je nízká tvrdost a schopnost deformace. Změny v metodách výroby membrán, například zlepšení bi-orientace nebo rozvinutí nových kompozitních materiálů, představují cestu k širší aplikovatelnosti PTFE v nových a náročných průmyslových aplikacích.