光硬化型3Dプリントによる防汚分離膜の作製

著者: Du Peng 出典: 新しい光硬化材料

液体分離用の膜材料は、小規模なマイクロ流体デバイスから大規模な水処理や廃棄物回収に至るまで、ますます幅広い用途で使用されています。このアプリケーションにおける最大の課題は、膜の表面と内部に物質が蓄積することで発生するスケーリングです。スケーリングにより、フラックスが減少し、エネルギー消費が増加し、製品の品質が低下する可能性があるほか、膜の洗浄と交換の運用コストも増加します。一般的な UF ユニットでは、スケーリングの問題が総運用コストの最大 50% を占める可能性があります。膜の性能を回復するために、汚れの堆積物を弱めて洗浄する酸性またはアルカリ性の洗浄剤がよく使用されます。これらの化学洗浄剤を頻繁に使用すると、深刻な健康問題や環境問題が発生するだけでなく、膜材料の耐久性や完全性にも影響を及ぼします。したがって、水、化学物質、エネルギーの消費を削減しながら膜の寿命を延ばすために、持続可能な汚れ除去または軽減方法を採用することに特に関心が寄せられています。

膜の表面特性を化学的または構造的に変化させることによって汚れの付着を遅らせる方法が広く研究されてきました。業界では膜表面を化学的に改質する方法について広範囲にわたるテストを行ってきましたが、膜表面にスケールが付着すると、スケール防止層の機能は失われます。化学薬品を使用せずに膜表面をパターン化する方法は、膜表面の流体せん断応力を促進し、膜表面に局所的な渦を形成できるため、汚れの形成を大幅に削減または遅くすることができます。

英国バース大学の YM John Chew 氏らは、コンピューターモデリングと 3D プリントを革新的に組み合わせて、防汚複合機能膜を設計、製造しました。この方法では、まず数値流体力学シミュレーションを使用して波形サポート構造を設計し、次に工業グレードのマルチヘッド 3D プリンターを使用して、UV 硬化型ポリウレタンアクリレートポリマーを使用してこのサポート材料を印刷します。次に、限外濾過ポリエーテルスルホン選択膜を支持材上に堆積させることにより、優れた防汚性能を有する複合材料透過膜が得られる。

図1 複合材料透過膜の製造プロセスの概略図。環状支持材の多孔質領域は、まずAutodesk Inventor Professionalソフトウェアを使用して設計され、必要な孔サイズ、孔間隔、および孔の数が得られます。波形構造は OpenScad ソフトウェアを使用して設計され、その後 2 つの構造が重ね合わされました。

3Dプリントプロセスが完了すると、細孔に充填された水素化ワックス材料が溶媒によって除去され、多孔質の内部構造と波形の表面を持つ支持材料が形成されます。次に、非誘導相分離法を使用してポリエーテルスルホンの選択膜層を生成し、次に真空法を使用してこの膜層を支持材料上に複合します。このようにして得られた複合膜は、膜表面に非常に高いせん断応力と局所的な渦電流を形成し、それによって表面への汚れの吸着を大幅に低減し、クロスフロー洗浄機能を高めます。

実験により、この複合膜の透過回復率と総透過減衰率が大幅に改善されることが示されました。この波形構造の防汚性能は、平らな構造の膜よりもはるかに優れています。 10 回の完全なテストサイクルの後、洗浄剤として水のみを使用して、膜は初期の透過性の 88% を維持しました。特別に設計された波形表面構造を持つ 3D プリント複合フィルムは、化学処理方法を完全に置き換えて、優れたスケール防止特性を備えた透過性膜材料を調製することができます。

参考文献
Mazinani, S.、Al-Shimmery, A.、Chew, YMJ、Mattia, D. (2019)。3D プリントされた汚れに強い複合膜。ACS Applied Materials & Interfaces。doi:10.1021/acsami.9b07764

著者について Du Peng は、四川大学でポリマーの修士号、香港科技大学で MBA を取得しています。ドイツの WHU ビジネススクールとメキシコの IPADE ビジネススクールで学びました。彼は20年以上光硬化業界に従事しており、世界有数の光硬化会社2社で技術、営業、管理業務に従事してきました。彼はさまざまな会議やフォーラムで頻繁に報告を行い、大学生に光硬化のコースを教えています。彼は現在、Runao Chemical のゼネラルマネージャーを務めています。マラソンとトライアスロンのランナー。

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