Olieseparation gjort lettere med 2-D materialemembran

Forskere fra University of Manchester har taget et spring fremad med at overvinde et af de største problemer inden for membranteknologi - membranbegroning.

Membranbaserede adskillelser er afgørende for forskellige processer, såsom vandfiltrering og olie- og gasseparation. Brugen af ​​grafen og andre 2-D materialer i membranteknologi har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af disse materialers tunerbarhed, hvilket gør det muligt at filtrere urenheder, som man tidligere ikke troede var muligt.

Tilsmudsning er en uundgåelig begivenhed i membranadskillelse, hvor der opstår blokeringer i porerne i en membran, stopper flowet og forhindrer membranen i at fungere normalt. Tilsmudsning er et særligt alvorligt problem for olieseparationsteknologi på grund af, hvor let oliedråberne klæber på membranoverfladen.

Udgivet i Naturkommunikation , holdet baseret i Institut for Kemiteknik &Analytisk Videnskab, Henry Royce Institute og National Graphene Institute i samarbejde med University College London (UCL), har vist, at den eksfolierede todimensionelle form af vermiculit, et naturligt lermineral, kan bruges som en begroningsbestandig belægning til olie-vand-separation.

Det er velkendt, at forøgelse af vandfugtigheden og formindskelse af olieadhæsionen på en membran kan reducere membrantilsmudsning på grund af olieaflejring. Det videnskabelige samfund har tidligere hovedsageligt fokuseret på at justere membranens overfladeladning ved kemisk modifikation for at forbedre vandfugtigheden og dermed reducere tilsmudsning. Disse forsøg er til dels lykkedes, men langsigtede antifouling-egenskaber var endnu ikke opnået.

Nu har holdet ved University of Manchester fundet ud af, at befugtningsegenskaberne af vermiculitmembraner, fremstillet ved at stable mange lag af todimensionelle vermiculitplader, kan indstilles fra superhydrofil til hydrofob blot ved at udskifte de kationer, der er til stede på overfladen og mellem lagene af vermiculit.

Yderligere, holdet demonstrerede også, hvordan man udnytter denne usædvanlige egenskab til at reducere membrantilsmudsningen under olie-vand-filtrering ved at bruge superhydrofil lithium-udvekslet vermiculit (lithium-vermiculit) som et belægningslag til kommercielle mikrofiltreringsmembraner.

Dr. Kun Huang, hovedforfatteren af ​​papiret sagde:"Lithiumvermiculitmembraner giver ikke kun superhydrofilicitet, men afviser også oliedråber under filtrering på grund af deres undervands superoleofobiske egenskaber. Undervandsolieadhæsionen på vermiculitbelagte mikrofiltreringsmembraner var mere end 40 gange lavere end de ikke-coatede. membran."

Den demonstrerede olie-vand-adskillelse er blot et eksempel på brugen af ​​superhydrofile antifouling-membraner. Deres anvendelse kan udvides til andre områder såsom udvikling af selvrensende overflader, og antifouling-filtre til biofiltrering.

Professor Rahul Raveendran Nair sagde:"At udvikle antifouling-membraner til olie-vand-separation er et længe søgt mål for videnskabsmænd og teknologer, hvilket fremgår af den hurtige vækst i antallet af publikationer på dette område. Vi mener, at vores arbejde giver et stort fremskridt i den grundlæggende forståelse af faste stoffers befugtningsegenskaber ned til det molekylære niveau og er en bemærkelsesværdig milepæl i udviklingen af ​​robuste begroningsbestandige membranteknologier."

Arbejdet blev udført i samarbejde med forskere fra Institut for Fysik og Astronomi ved UCL for at undersøge mekanismen bag den usædvanlige vandbefugtningsovergang i vermiculitmembranen ved ionbytning.

Patrick Rowe, fra UCL sagde:"Vores undersøgelse viser, hvordan detaljerne på atomare skala af interaktionen mellem vandmolekyler, overflader og ioner er vigtige for at forstå faste stoffers overfladeegenskaber. Lithiumvermiculits høje vandaffinitet og dermed lavere oliedråbeinteraktion skyldes det unikke arrangement af vandmolekyler på overfladen af ​​lithiumvermiculit."

Dr. Christie Cherian, der var medforfatter til avisen sagde, "Tilstedeværelsen af ​​ioner i vermiculitmembranen hjalp med at fastholde vandmolekylerne fast på overfladen, selv når membranen er udsat for olie i længere tid, en egenskab, der er unik for den vermiculitbelagte membran, viser lovende for at bruge det som en langsigtet antifouling belægning.