Mod en smart grafenmembran for at afsalte vand

Et internationalt team af forskere, inklusive videnskabsmænd fra Shinshu University (Japan) og direktøren for Penn State's ATOMIC Center, har udviklet en grafenbaseret belægning til afsaltningsmembraner, der er mere robust og skalerbar end nuværende nanofiltreringsmembranteknologier. Resultatet kunne være en robust og praktisk membran til rentvandsopløsninger samt proteinseparation, spildevandsrensning og farmaceutiske og fødevareindustriens applikationer.

"Vores drøm er at skabe en smart membran, der kombinerer høje flowhastigheder, høj effektivitet, lang levetid, selvhelbredende og eliminerer bio- og uorganisk begroning for at levere rent vandløsninger til de mange dele af verden, hvor der er mangel på rent vand, " siger Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi og materialevidenskab og teknik, Penn State. "Dette arbejde fører os i den retning."

Hybridmembranen, som teamet udviklede, bruger en simpel spray-on-teknologi til at belægge en blanding af grafenoxid og få-lags grafen i opløsning på en rygradsstøttemembran af polysulfon modificeret med polyvinylalkohol. Støttemembranen øgede hybridmembranens robusthed, som var i stand til at modstå intens krydsstrøm, højtryks- og kloreksponering. Selv i tidlige udviklingsstadier, membranen afviser 85 procent salt, passende til landbrugsformål, men ikke til drikke, og 96 procent af farvestofmolekyler. Meget forurenende farvestoffer fra tekstilfremstilling udledes normalt i floder i nogle områder af verden.

Klor bruges generelt til at afbøde biobegroning i membraner, men klor nedbryder hurtigt ydeevnen af ​​nuværende polymermembraner. Tilføjelsen af ​​få-lags grafen gør den nye membran meget modstandsdygtig over for klor.

Grafen er kendt for at have høj mekanisk styrke, og porøs grafen forventes at have 100 procent saltafvisning, hvilket gør det til et potentielt ideelt materiale til afsaltningsmembraner. Imidlertid, der er mange udfordringer med at opskalere grafen til industrielle mængder, herunder kontrol af defekter og behovet for komplekse overførselsteknikker, der kræves for at håndtere det todimensionelle materiale. Det nuværende arbejde forsøger at overvinde skalerbarhedsproblemerne og give en billig, membran af høj kvalitet i produktionsskala.

Arbejdet blev udført i Global Aqua Innovation Center og Institute of Carbon Science and Technology ved Shinshu University, Nagano, Japan, hvor Terrones også er en fremtrædende inviteret professor. Holdet inkluderer forskerne Aaron Morelos-Gomez, Josue Ortiz-Medina og Rodolfo Cruz-Silva, tidligere ph.d. elever i Terrones. Morelos-Gomez er hovedforfatter på et papir offentliggjort online den 28. august i Natur nanoteknologi der beskriver deres arbejde med titlen "Effektiv NaCL og farveafvisning af hybride grafenoxid/grafenlagsmembraner." De japanske forskere, Hiroyuki Muramatsu, Takumi Araki, Tomoyuki Fukuyo, Syogo Tejima, Kenji Takeuchi, og Takuya Hayashi, blev også ledet af professor Morinobu Endo.

Første forfatter Aaron Morelos-Gomez siger, "Vores membran overvinder vandopløseligheden af ​​grafenoxid ved at bruge polyvinylalkohol som klæbemiddel, hvilket gør den modstandsdygtig over for stærk vandstrøm og høje tryk. Ved at blande grafenoxid med grafen kunne vi også forbedre dets kemiske resistens betydeligt."

Professor Morinobu Endo konkluderer, at "dette er det første skridt mod mere effektive og smarte membraner, der kan tilpasse sig selv afhængigt af deres miljø."