Insight in the thin-film pollyamide membrane structure after compaction

Abstract

La osmosi inversa (OI) és la tecnología de membrana que proporciona el nivell més fi de separació i una de les tecnologies més prometedores per a superar el problema de l'escassetat mundial d'aigua neta. El mercat de membranes de RO està dominat per les membranes de pel·lícula fina (TFC) de poliamida. Quan s'operen a alta temperatura (max 45°C) i alta pressió (màxim 82 bar), poden patir compactació, el que resulta en una reducció de la producció de permeat (> 30%), que ha de ser compensat amb un augment de la pressió d'alimentació per satisfer els paràmetres de disseny. Això acaba resultant es un augment en el cost de l'aigua produïda i una reducció substancial de la vidua útil del producte. L'objectiu d'aquest estudi va ser obtener una comprensió fonamental dels fenòmens de compactació i la seva implicació en el mecanisme de transport. Amb aquesta finalitat es van dur a terme una sèrie d'anàlisis, amb l'objectiu de caracteritzar: (1) la modificació de la morfologia i el gruix de cada capa a la membrana, a partir d'imatges de secció transversal com a resultat de l'alta temperatura i la pressió d'operació (2) el contingut químic de poliamida després de l'operació del procés (3) la part de la pèrdua de flux de permeabilitat deguda a la compactació de la capa de poliamida i la capa de suport, per separat, i la seva contribució a la pèrdua total de flux de membrana mitjançant l'aplicació del model de resistència en sèrie, i (4) la mida de porus (el volum del forat lliure) de la capa de poliamida seca i hidratada. Un total de 11 tècniques diferents es van aplicar per intentar revelar la informació completa. Es van identificar diverses observacions que podrien atribuir-se a la pèrdua de permeabilitat de la membrana després de l'operació. A més, els resultats indiquen que hi ha una part considerable (~50%) de la resistència extra causant la pèrdua de flux que procedeix de la capa de poliamida, el que condueix a canvis irreversibles en el rendiment de la membrana. La causa originaria d'aquestes observacions podria ser els canvis en l'estructura de poliamida que més probablement es produeix durant l'operació en les condicions combinades d'alta pressió i alta temperatura.

La osmosis inversa (OI) es la tecnología de membrana que proporciona el nivel más fino de separación y una de las tecnologías más prometedoras para superar el problema de la escasez mundial de agua limpia. El mercado de membranas de RO está dominado por las membranas de material compuesto de película fina (TFC) de poliamida. Cuando se operan a altas temperaturas (max 45°C) y alta presión (máximo 82 bar), pueden sufrir compactación, lo que resulta en una reducción de la producción de permeado (> 30%), que tiene que ser compensado con un aumento de la presión de alimentación para satisfacer los parámetros de diseño. Esto acaba resultando en un aumento en el coste del agua producida y una reducción sustancial de la vida útil del producto. El objetivo de este estudio fue obtener una comprensión fundamental de los fenómenos de compactación y su implicación en el mecanismo de transporte. Con este fin se llevaron a cabo una serie de análisis, con el objetivo de caracterizar: (1) la modificación de la morfología y el espesor de cada capa en la membrana, a partir de imágenes de sección transversal, como resultado de la alta temperatura y la presión de operación (2) el contenido químico de poliamida después de la operación del proceso (3) la parte de la pérdida de flujo de permeabilidad debido a la compactación de la capa de poliamida y la capa de soporte, por separado, y su contribución a la pérdida total de flujo de membrana mediante la aplicación del modelo de resistencia en serie, y (4) el tamaño de poro (el volumen agujero libre) de la capa de poliamida seca e hidratada. En total, 11 técnicas diferentes se aplicaron en un intento de revelar la información completa. Se identificaron varias observaciones que podrían atribuirse a la pérdida de permeabilidad de la membrana después de la operación. Además, los resultados indican que hay una parte considerable (~50%) de la resistencia extra causante la perdida de flujo que procede de la capa de poliamida, lo que conduce a cambios irreversibles en el rendimiento de la membrana. La causa raíz de estas observaciones podría ser los cambios en la estructura de poliamida, que más probablemente se produce durante la operación en las condiciones combinadas de alta presión y alta temperatura.

Reverse osmosis (RO) is the finest level of membrane-technology available and one of the most promising technologies to overcome the problem of global clean water scarcity. The RO membrane market is dominated by thin-film composite (TFC) polyamide membranes. When operated at high temperature (max 45˚C) and high pressure (max 82 bar) membranes can suffer compaction, which results in reduced permeate production (>30%) so that the feed pressure has to be increased to meet the design parameters. Ultimately these translate into an increase in the cost of the water produced and substantially lower membrane product life-time. The objective of this study was to gain fundamental understanding on the compaction phenomena and its implication to the transport mechanism. With that purpose a series of analyses were conducted with the aim of characterizing: (1) the membrane morphology and thickness of each layer in the membrane from cross sectional images as a result of high temperature and pressure operation (2) the polyamide chemical content after process operation (3) the portions of permeability flow loss due to compaction of the polyamide and support layer, separately, and their contribution to the total membrane flow loss by applying the series resistance model, and (4) the pore size (free-volume hole size) of the polyamide layer in dry and swollen hydrated state. In total 11 different techniques were applied attempting to reveal complete information. Several observations were identified that might be attributed to the permeability loss of the membrane after the operation. Moreover the results indicated that there is a sizable portion (~50%) of added resistance coming from the polyamide layer to the total flow loss of the entire composite membrane, which leads to irreversible changes in the membrane performance. The root cause for these observations might be the changes in the polyamide structure that most probably occurs during the operation at combined conditions of high pressure and high temperature.