Hydrofob nanostruktureret træmembran til termisk effektiv destillation

Forskerne forberedte træet til et anisotropt og termisk isolerende bulkmateriale med høj porøsitet, lav varmeledningsevne og god mekanisk styrke som et ideelt underlag til den nye MD-membran. Forskerholdet brugte nanostruktureret træ fra naturligt amerikansk basswood efterfulgt af silanbelægning til at danne en hydrofob overflademembran med høj porøsitet og lav varmeledningsevne. De sammenlignede derefter de hydrofobe træmembraner med kommercielle membraner i forhold til struktur og ydeevne under vandrensning.

De nye membraner præsenterede en unik porestruktur med naturligt dannede xylemkar og lumina parallelt med membranoverfladen sammenlignet med syntetiske kommercielle membraner med vertikale porer. Forskerholdet observerede direkte den naturlige justering af cellulosenanofibriller ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM). De bemærkede den resulterende struktur med justerede krystallinske nanofibriller holdt sammen med intermolekylære hydrogenbindinger og van de Waal-kræfter. Ved at fjerne de blandede lignin- og hemicellulosekomponenter, forskerne bidrog til ca. 70 procent massetab og forbedret porøsitet af den hydrofobe nanowood-membran. Hou et al. brugte porerne placeret mellem nanofibrillerne eller på kanalvæggene til vanddamptransport.

På grund af den store porøsitet af det konstruerede materiale, den teoretiske termiske ledningsevne af den hydrofobe nanowood-membran faldt fra 0,210 til 0,04 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ved 25°C, at bidrage til reduktion af ledende varmetab, samtidig med at den konvektive varmeoverførsel øges. Forskerne behandlede træet med fluoralkylsilan (FAS) for at inducere hydrofobicitet, hvilket de verificerede ved hjælp af vandkontaktvinkelmålinger for at opnå kontaktvinkler større end 140 grader. Værdierne var større end dem, der blev observeret med kommercielle membraner, såsom polytetrafluorethylen (PTFE) og polyvinylidenfluorid (PVDF). Morfologien og porestrukturen forblev intakt før og efter overfladebehandling. Forskerne sammenlignede de hydrofobe træmembraner med kommercielle membraner i forhold til membranstrukturer, inklusive porestørrelsesdimension (PSD), termisk ledningsevne og ydeevne.

For at demonstrere evnerne til termisk isolering til den fremstillede hydrofobe nanowood-membran, forskerne testede prøven under en ledende varmekilde og stimulerede direkte kontaktmembrandestillation (DCMD). Under eksperimenterne anvendte de fem forskellige temperaturer og målte dem ved hjælp af et infrarødt (IR) kamera. I resultaterne, den hydrofobe nanomembran viste lav termisk ledningsevne og anisotrope egenskaber, når temperaturen eskalerede fra 40 ⁰ C-60 ⁰ C. Ifølge resultaterne, fjernelsen af ​​blandet lignin og hemicellulose under nanowood-forberedelse bidrog til væsentlige ændringer i træets varmeledningsevne.

Hou et al. testede derefter den termisk effektive afsaltning af nanowood-membranen ved at observere vand (damp) flux gennem membranerne. På grund af øget porøsitet og porestørrelse, den hydrofobe nanowood-membran viste højere vandflux med væsentligt reduceret dampoverførselsmodstand. De sammenlignede ydeevnen af ​​nanowood MD med kommercielle MD'er og foreslog brugen af ​​tyndere træmembraner for at fremstille bedre flux i fremtidige undersøgelser. De hydrofobe membraner viste god termisk effektivitet (71 ± 2% ved 60°C) for at repræsentere de hidtil højeste værdier opnået i MD. I alt, resultaterne foreslog den større porestørrelse og bredere PSD (porestørrelsesdimension) af nanowood-membranen for at opveje ulemperne ved lavere porøsitet.

Den nyudviklede hydrofobe nanowood-membran viste overlegne egenskaber og MD-potentiale for vandafsaltning. Membranen viste god vandindstrømning (vanddamptransport) og fremragende termisk effektivitet på grund af høj indre permeabilitet og super lav varmeledningsevne (0,040 W m) ⁻¹ K ⁻¹ ) for at fremme konvektiv og ledende varmeoverførsel. På denne måde Dianxun Hou og kolleger fremstillede en nanowood-membran ved hjælp af en skalerbar, top-down tilgang med simple kemiske behandlinger. Det nyudviklede, skalerbar nanowood-membran er en termisk effektiv membran med stort potentiale til at bruge lavkvalitetsvarme fra forskellige kilder under membrandestillation (MD) til vandafsaltning.

Forskerne kan forbedre porestørrelsen og tykkelsen ved at vælge andre træsorter til processen i fremtiden. De foreslår også brugen af ​​elektrospinning til at konstruere nanocellulosefibre. På grund af den hydrofile natur af nanocellulosematerialer, Hou et al. sigte på yderligere at forbedre effektiviteten af ​​hydrofob behandling for membranens holdbarhed under høje temperaturer og kemiske forhold. Forskerholdet har til hensigt yderligere at optimere fremstillingsmetoderne for at konstruere tyndere og større membranmaterialer til fremtidige anvendelser inden for vandafsaltning

© 2019 Science X Network