Meget funktionel membran udviklet til fremstilling af ferskvand fra havvand

Professor Matsuyama Hidetos forskningsgruppe ved Kobe Universitets forskningscenter for membran- og filmteknologi har med succes udviklet en ny afsaltningsmembran. De opnåede dette ved at laminere et todimensionelt kulstofmateriale på overfladen af ​​en porøs polymermembran.

Afsaltningsmembraner bruges til at producere ferskvand fra havvand. For at løse det verdensomspændende problem med utilstrækkelige ferskvandsressourcer, forskere stræber efter at udvikle afsaltningsmembraner, der ikke kun gennemtrænges af vand hurtigere end dem, der er i brug, men som også fjerner salt effektivt, så det er mere effektivt, lavenergiafsaltningssystemer kan implementeres.

I dette forskningsstudie, grafenoxid nanoplader, som er en type todimensionelt nanomateriale, blev stablet på overfladen af ​​en porøs membran efter at have fået en kemisk reduktionsbehandling, gør det muligt at udvikle et afsaltningsmembranlag på ca. 50 nanometer (nm). Den udviklede membran har potentialet til at udføre højeffektiv afsaltning, fordi det er muligt at kontrollere hullerne mellem dens nanoplader og ladningen på nanopladernes overflader. Det er håbet, at denne forskning vil bidrage til anvendelse og implementering af futuristiske afsaltningsmembraner.

Disse forskningsresultater blev offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A den 18. november, 2020.

Hovedpunkter

• Forskerne har med succes udviklet en ny afsaltningsmembran ved hjælp af todimensionelle nanoark.
• Den kemiske reduktionsbehandling af grafenoxid-nanoarkene styrkede π-π-stabling mellem nanoarkene.
• π-π-stablingen forbedrede stabiliteten af ​​den nanoark-laminerede membran og gjorde det muligt at manipulere mellemlaget mellem hvert nanoark.
• Porphyrin-baserede plane molekyler med ladede grupper og et konjugeret π-system blev indført mellem nanoarkene. Dette resulterede i elektrostatisk frastødning mellem grafenoxidet og den plane forbindelses negative ladning, gør det muligt for forskerne at kontrollere anionernes bevægelse inden for nanokanalerne.
• Den nanoplade-laminerede membran udviklet gennem denne forskning var i stand til at afvise natriumchlorid (NaCl) permeation med 95%. I fremtiden, disse forskningsresultater kan bidrage til skabelsen af ​​nye, højtydende membranteknologier til afsaltning.

Forskningsbaggrund

97,5 % af vandet på Jorden er havvand og kun 2,5 % er ferskvand. Inden for denne procentdel, kun 0,01 % af ferskvandsressourcerne kan let behandles for at blive udnyttet af menneskeheden. Imidlertid, den menneskelige befolkning fortsætter med at stige hvert år. Følgelig, det er blevet forudsagt, at om flere år, to tredjedele af verdens befolkning vil have utilstrækkelig adgang til ferskvand. En verdensomspændende vandmangel er et af de alvorligste problemer, som menneskeheden står over for. Derfor, teknologier, der kan skaffe de nødvendige ressourcer ved at omdanne Jordens rigelige havvand til ferskvand, er altafgørende.

Fordampningsmetoder er blevet brugt til at omdanne havvand til ferskvand, de kræver dog store mængder energi for at fordampe havvandet og fjerne saltet (afsaltning). På den anden side, membranseparationsmetoder giver et lavenergialternativ; de gør det muligt at producere ferskvand ved at filtrere vand ud af havvand og fjerne saltet. Metoder til fremstilling af ferskvand fra havvand ved hjælp af membraner er blevet implementeret, med de hidtil udviklede afsaltningsmembraner er der dog altid en afvejning mellem permeationshastighed og afsaltningsevne. Derfor, det er afgørende at udvikle en revolutionerende afsaltningsmembran af nye materialer for at løse denne afvejning og for at gøre det muligt at afsalte havvand med en højere effektivitet.

Forskningsmetodologi

Dette forskerhold udviklede en meget funktionel afsaltningsmembran ved at laminere membranen med et todimensionelt kulstofmateriale med omtrentlig tykkelse af et kulstofatom. Disse 2-D kulstofmaterialer var grafenoxid-nanoark, der blev kemisk reduceret for at give dem styrket π-π-interaktion.

Ved at påføre nanoarkbelægninger med interkalation af porphyrin-baserede plane molekyler (med ladede grupper og et konjugeret π-system) på overfladen af ​​en porøs membran, forskergruppen var i stand til at konstruere et ultratyndt afsaltningsmembranlag på ca. 50nm tykt.

Dette lag demonstrerede høj ionblokerende funktionalitet, fordi størrelsen af ​​nanokanalerne (mellemrummene mellem hvert nanoark) kunne kontrolleres inden for 1nm. Desuden, hullerne mellem nanokanalerne i den nanoplade-laminerede membran viste kontinuerlig vandstabilitet på grund af den stærke π-π-stabling mellem arkene, antyder muligheden for, at det kan bruges i lang tid. Ud over, der var intet tab af afsaltningsfunktionalitet selv under et tryk på 20 bar.

Forskerne afslørede, at overførslen af ​​ioner inde i den udviklede nanoark-laminerede membran effektivt blev undertrykt af elektrostatisk frastødning på nanopladens overflade. Denne elektrostatiske frastødning var yderst effektiv, når bredden af ​​nanokanalerne var passende kontrolleret. For det nanoarkmateriale, der blev brugt i denne undersøgelse, bredden af ​​nanokanalerne kunne begrænses ved at kontrollere den kemiske reduktionsproces og interkalationsforholdet af porphyrin-baserede plane molekyler.

NaCl er hovedbestanddelen af ​​havvandsioner, og det er særligt vanskeligt at forhindre det i at trænge igennem membranen. Imidlertid, en nanoplade-lamineret membran produceret under optimale forhold var i stand til at blokere omkring 95% af NaCl.

Yderligere udviklinger

Den 2-D nanosheet-laminerede membran udviklet gennem denne forskning blev produceret ved at regulere reduktionen af ​​det oxiderede grafenark og interkalationsforholdet mellem plane molekyler, hvilket igen gjorde det muligt at kontrollere både mellemlagsrummet mellem nanoarkene og den elektrostatiske frastødningseffekt. Ud over afsaltningsmembraner, denne teknik kan også anvendes til udvikling af forskellige elektrolytseparationsmembraner.

Lavenergi-afsaltningsteknologier ved hjælp af separationsmembraner er uundværlige for at reducere vandmangel. Det er håbet, at teknologien vil bidrage til at løse problemet med udtørring af vandressourcer på verdensplan. Næste, forskerholdet vil forsøge at forbedre den udviklede membrans høje funktionalitet yderligere, så det kan implementeres.