Nanoporøs grafen kunne overgå de bedste kommercielle vandafsaltningsteknikker

(Phys.org) - Selvom oceaner og have indeholder omkring 97% af Jordens vand, i øjeblikket kommer kun en brøkdel af en procent af verdens drikkevandsforsyning fra afsaltet saltvand. For at øge vores brug af saltvand, afsaltningsteknikker skal blive mere energieffektive og billigere for at være bæredygtige. I en ny undersøgelse, to materialeforskere fra MIT har i simuleringer vist, at nanoporøst grafen kan filtrere salt fra vand med en hastighed, der er 2-3 størrelsesordener hurtigere end nutidens bedste kommercielle afsaltningsteknologi, omvendt osmose (RO). Forskerne forudsiger, at grafens overlegne vandpermeabilitet kan føre til afsaltningsteknikker, der kræver mindre energi og bruger mindre moduler end RO-teknologi, til en pris, der vil afhænge af fremtidige forbedringer i grafenfremstillingsmetoder.

Forskerne, David Cohen-Tanugi og Jeffrey C. Grossman fra MIT, har offentliggjort deres undersøgelse om vandafsaltning ved hjælp af enkeltlags nanoporøs grafen i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Dette arbejde viser, at nogle af ulemperne ved de nuværende afsaltningsteknikker kunne undgås ved at opfinde mere effektive og målrettede membranmaterialer, ” fortalte Grossman Phys.org . "Især skræddersyet nanostrukturering af membraner kunne give mulighed for faktisk strømning af vand (med fuld saltafvisning) via størrelsesudelukkelse, fører til meget højere permeabilitet sammenlignet med omvendt osmose."

Det er ikke første gang, at forskere har undersøgt brugen af ​​nanoporøse materialer til afsaltning. I modsætning til RO, som bruger højt tryk til langsomt at skubbe vandmolekyler (men ikke saltioner) gennem en porøs membran, nanoporøse materialer arbejder under lavere tryk og giver veldefinerede kanaler, der kan filtrere saltvand med en hurtigere hastighed end RO-membraner.

Imidlertid, det er første gang, at forskere har udforsket nanoporøs grafens potentielle rolle som et filter til afsaltning af vand. Enkeltlags grafen, som kun er et kulstofatom tykt, er den ultimative tynde membran, hvilket gør det fordelagtigt til vandafsaltning, da vandflux over en membran skalerer omvendt med membranens tykkelse.

Ved at bruge klassiske molekylær dynamik simuleringer, Cohen-Tanugi og Grossman undersøgte vandpermeabiliteten af ​​nanoporøst grafen med forskellige porediametre (1,5 til 62 Å) ² ) og porekemi. Som tidligere eksperimenter har vist, nanoporer kan indføres i grafen ved en række forskellige metoder, herunder helium ion stråleboring og kemisk ætsning. I deres simuleringer, forskerne styrkede nanoporerne ved at passivere, eller afskærmning, hvert carbonatom ved porekanten med enten hydrogenatomer eller hydroxylgrupper.

"Fordi disse kulstofatomer ved porekanten ville være ret reaktive uden passivering, på en eller anden måde under realistiske eksperimentelle forhold vil de sandsynligvis have en form for kemisk funktionalisering, " sagde Grossman. "Dette kan styres til en vis grad, så vi ønskede at udforske de to grænser for hydrofob vs. hydrofil kantkemi. Hvis vi ikke havde nogen funktionelle grupper (bare bart kulstof), ville vandmolekyler inden for kort tid dissociere ved porekanten og sandsynligvis enten hydrogenere eller hydroxylere disse kulstoffer."

Forskerne sammenlignede de to kemier, sammen med forskellige porestørrelser, af nanoporøst grafen i deres simuleringer ved at køre saltvand med en saltholdighed på 72 g/L over membranerne, hvilket er omkring det dobbelte af saltindholdet af gennemsnitligt havvand (ca. 35 g/L).

De fandt ud af, at selvom de største nanoporer kunne filtrere vand med den højeste hastighed, store nanoporer tillod nogle saltioner at passere igennem. Simuleringerne identificerede et mellemliggende område af nanoporediametre, hvor nanoporerne var store nok til at tillade passage af vandmolekyler, men små nok til at begrænse saltioner.

Simuleringerne viste også, at den hydroxylerede grafen signifikant forbedrer vandgennemtrængeligheden, som forskerne tilskriver hydroxylgruppernes hydrofile karakter. Siden, i modsætning, de hydrogenerede porer er hydrofobe, vandmolekyler kan kun strømme igennem, når de er i et begrænset antal højt ordnede konfigurationer. Men hydrofile grupper tillader vandmolekyler at have et større antal hydrogenbindingskonfigurationer inde i porerne, og denne mangel på restriktioner øger vandstrømmen.

Samlet set, resultaterne viser, at nanoporøs grafen teoretisk kan udkonkurrere RO-membraner med hensyn til vandpermeabilitet, som er udtrykt i liter output pr. kvadratcentimeter membran pr. dag og pr. enhed for påført tryk. Mens højflux RO har en vandpermeabilitet på nogle få tiendedele, simuleringerne viste, at nanoporøs grafens vandpermeabilitet varierede fra 39 til 66 for porekonfigurationer, der udviste fuld saltafvisning (23,1 Å) ² hydrogenerede porer og 16,3 Å ² hydroxylerede porer). Grafen med de største hydroxylerede porer nåede 129, men tillod en vis passage af saltioner.

Forskerne forklarer, at der er to hovedudfordringer ved brugen af ​​nanoporøst grafen til afsaltningsformål. Den ene er at opnå en snæver porestørrelsesfordeling, selvom hurtige eksperimentelle fremskridt med at syntetisere højt ordnet porøs grafen antyder, at dette snart kan lade sig gøre. Den anden udfordring er mekanisk stabilitet under påført tryk, hvilket kunne opnås ved hjælp af et tyndfilmsstøttelag, såsom det, der anvendes i RO-materialer.

"Beregningsmæssigt, vi ser på en række andre potentielt nye måder at konstruere membraner til afsaltning og dekontaminering på, " sagde Grossman. "Eksperimentelt, vi er i øjeblikket ved at fremstille nanoporøse membraner og håber at teste deres afsaltningsydelse i de kommende måneder."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.