Jak se vyrábějí fluoropolymerní membrány a jejich nově vznikající metody

Výroba fluoropolymerních membrán je fascinující oblast, která se vyznačuje rychlým pokrokem a inovacemi. V tomto procesu se často používají různé techniky, které ovlivňují strukturu a vlastnosti finálních produktů. Jednou z metod, která se osvědčila pro vytváření vlákenných membrán, je elektrospinning. Tato technika je založena na využívání vysokého napětí k vytvoření nanovláken, které se následně spojují do pórů v membráně. V případě PTFE (polytetrafluorethylen) dutých vláken se vytvářejí mikrostruktury uzlů, které jsou vzájemně propojeny fibrily. Když je tato membrána natahována, fibrily se prodlužují a vytvářejí hustější strukturu, která je orientována paralelně s směrem natahování.

Různé techniky výroby membrán mají rozdílný vliv na jejich strukturu a výkonnost. Například při použití metody přídavného výrobního tisku (3D tisku) je možné vytvářet složité trojrozměrné geometrie, což umožňuje flexibilitu při návrhu membrán s vysoce specifickými vlastnostmi. Významným přínosem 3D tisku je schopnost vytvářet superhydrofobní povrchy, které jsou velmi účinné pro manipulaci s mikrofylmy, separaci oleje a vody, nebo dokonce pro odpuzování kapalin.

Nové metody, jako je digitální ultrafialová litografie (UV litografie) používaná pro mikrotisk, umožňují tvorbu mikrometrických struktur z PTFE, které mají vynikající superhydrofobní vlastnosti. Tato technologie se využívá k výrobě mikrostruktur, které jsou aplikovatelné v různých oblastech, jako je například vývoj drobně rozptýlených kapek v optických nebo elektrostatických aplikacích. Při tomto procesu se PTFE nanopartikly míchají s fotocitlivým roztokem a následně se vytvářejí vrstvy pomocí UV záření. Po vytvrzení a sušení jsou tyto struktury kalcinovány, což vede k vytvoření čisté PTFE mikrostruktury.

Další zajímavou metodou je výroba mikroporézních membrán pomocí zmrazování. Tento proces zahrnuje použití rozpouštědel, která jsou mrazena do extrémně nízkých teplot, což vede k tvorbě mikropórů v polymeru. Při tomto procesu se například používá dimethylsulfoxid (DMSO) jako rozpouštědlo, které se po zmražení nahradí vodou, čímž se vytvoří struktura mikroporézní membrány z PVDF (polyvinylidendifluorid).

Pro úpravu vlastností fluoropolymerních membrán je možné využít různé techniky. Mezi hlavní metody patří povrchová úprava, povrchová graftingová modifikace, míchání polymerů a plniv a další. Například povrchová úprava může zahrnovat fyzikální metody, jako je filtrací nanášení vrstvy na povrch membrány, nebo chemické metody, které spočívají v vytváření kovalentních vazeb mezi polymerními řetězci a povrchem membrány. Tato modifikace povrchu membrány je zásadní pro zvýšení její přizpůsobivosti v konkrétních aplikacích, například pro vodní filtrace, kde je často nutná hydrophilita.

Významnou výzvou u fluoropolymerních membrán je jejich přirozená hydrofobnost, což znamená, že se používají techniky, které povrch upravují tak, aby byl více přizpůsobivý pro filtrační procesy. Zde povrchová úprava může zahrnovat použití funkčních polymerů, nanočástic nebo dvourozměrných materiálů, které zvyšují účinnost a specifické vlastnosti membrány.

Při zvažování nových metod a přístupů k výrobě a úpravám membrán je kladeno důraz na jejich praktické aplikace v reálných podmínkách. 3D tisk, například, nabízí neomezené možnosti pro tvorbu personalizovaných a vysoce výkonných membrán pro specifické účely. Zároveň je důležité sledovat, jak vývoj nových materiálů a technologií ovlivňuje ekologické a ekonomické aspekty výroby membrán, což může zásadně změnit budoucnost této technologie.

Jaké jsou klíčové vlastnosti a aplikace ECTFE membrán v separaci oleje a vody?

Membrány z ethylen-chlortrifluorethylenu (ECTFE) představují významný pokrok v oblasti separace olej-voda díky své jedinečné kombinaci hydrofobních a lipofilních vlastností. Jejich schopnost odpuzovat vodu a naopak přitahovat oleje umožňuje efektivní „odmašťování“ a „odvodňování“ kapalin, což je klíčové v mnoha průmyslových procesech. Díky tomu, že ECTFE membrány vykazují vysokou odolnost vůči olejům a chemikáliím, stávají se perspektivním materiálem pro široké spektrum aplikací.

Významným příkl

Jak vyvážení vody ovlivňuje výkon aniontových membránových palivových článků?

V provozu palivových článků s aniontovými výměnnými membránami (AEMFC) vzniká voda na anodě, kde reaguje vodík s kyslíkem. Tento proces generuje čtyři molekuly vody na každý přenesený elektron. Na katodě se voda spotřebovává v reakci s kyslíkem, kde jsou pouze dvě molekuly vody spotřebovány na každý přenesený elektron. Tento rozdíl v produkci a spotřebě vody mezi anodou a katodou vede k rozdílným podmínkám hydratace na obou elektrodách, což může vyústit v nevyvážený transport vody, což má zásadní vliv na efektivitu palivového článku.

Dopravní procesy vody jsou klíčové pro správnou funkci AEMFC. Na anodě vzniká voda, která následně difunduje směrem ke katodě, a to nejen díky elektro-osmotickému tahání způsobenému produkcí OH− iontů, ale také zpětnou difuzí vody z anodní oblasti směrem ke katodě. Tyto dva procesy mohou vést k problémům s transportem vody, jako jsou zátopy na anodě (přemokření) a sušení katody, což může zásadně zhoršit výkon článku.

Ve studii Eriksson et al. bylo prokázáno, že flux vody v membráně je zhruba třikrát vyšší, pokud je membrána v kontaktu s kapalnou vodou než s vodními parami. Navíc, při použití elektrického proudu se zrychluje produkce vody, což ovlivňuje transport vody v membráně. Bylo stanoveno, že koeficient táhnutí vody je −0,64, což naznačuje, že transport vody je opačný směrem než transport OH− iontů. Tento objev ukazuje, že problémem není pouze sušení katody, ale i přemokření jedné nebo obou elektrod, což může mít vážné důsledky pro výkon AEMFC.

Významným faktorem pro zajištění optimálního výkonu AEMFC je vyvážení množství vody v membráně a elektrodách. Omasta et al. ukázali, že pečlivé vyvážení vody v membránách a elektrodoch je klíčové pro dosažení vysoké výkonové hustoty, přičemž je důležité udržet vodu na katodě a zároveň zabránit jejímu nadměrnému hromadění na anodě. Toho lze dosáhnout optimalizací podmínek přívodu plynu, jako je vlhkost plynu, který se používá při provozu palivového článku.

Peng et al. v experimentu s dvourozměrným elektrokatalyzátorem, ve kterém byl CoOx zapuštěn do dusíkem dopovaného grafitového uhlíku, ukázali, že tento materiál může dosáhnout vysoké výkonové hustoty 1,05 Wcm−2 a vysoké stability při dlouhodobém provozu. Vzorky vykazovaly malý pokles napětí (pouze 15%) i při dlouhých 100 hodinách provozu. Významnou roli v těchto výsledcích hraje i zajištění vysoké propustnosti pro vodu v AEM membráně.

Mandal et al. prokázali, že optimální teplotní a vlhkostní podmínky pro optimální výkon membrán jsou odlišné pro různé tloušťky membrán. Pro 10 μm silné membrány byly ideální teploty a vlhkost 75 a 77 °C pro anodu a katodu, zatímco pro 20 μm silné membrány byly tyto hodnoty 70 °C pro anodu a 73 °C pro katodu. Tento výzkum ukázal, že optimální podmínky pro vlhkost plynu jsou nezbytné pro dosažení vysokého výkonu palivového článku.

Pro dosažení maximálního výkonu AEMFC je nezbytné zajistit efektivní řízení vodní bilance mezi anodou a katodou, což nejen že zvyšuje účinnost systému, ale také prodlužuje životnost článků. Různé materiály a technologie, jakými jsou radiografované ETFE materiály nebo technologie na bázi CoOx, mohou významně přispět k lepší regulaci vodní bilance a stabilitě systému během provozu.

Důležité je si uvědomit, že při vývoji AEMFC je kladeno velké důraz na volbu materiálů pro membrány a elektrody, které musí vykazovat vysokou vodivost, ale zároveň musí být schopny efektivně transportovat vodu mezi elektrodami, aniž by došlo k nadměrnému přemokření nebo naopak vysychání. Bez této rovnováhy nebude dosaženo optimálního výkonu, což ukazuje, jak komplexní problém vyvážení vody je v technologii AEMFC.