Små rør kommer i store pakker

Membranbaserede systemer har et stort potentiale som lavenergialternativer i applikationer som afsaltning, farmaceutisk nyttiggørelse, rensning og affaldsbehandling.

Forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har skabt de største defektfrie membraner, der er rapporteret til dato, som fuldt ud udnytter de unikke massetransportegenskaber af kulstofnanorør som strømningskanaler. Dette værk blev for nylig offentliggjort online i Avanceret Videnskab .

Kemisk robuste materialer, der selektivt transporterer molekyler med høj hastighed, er nøglen til udvikling af avancerede membransystemer, der overgår avancerede produkter. Carbon nanorør - kanaler udelukkende i kulstof mere end 50, 000 gange tyndere end et menneskehår – hører til denne klasse af meget lovende membranbyggesten. I modsætning til konventionelle porøse materialer, disse små kanaler giver mulighed for en usædvanlig hurtig gas- og væskestrøm, der bliver endnu hurtigere, efterhånden som rørene bliver mindre

For at få mest muligt ud af disse ekstraordinære materialer, maksimering af tætheden af ​​åbne kulstof nanorør på tværs af membranen er kritisk. Forskere ved LLNL voksede med høj tæthed, enkeltvæggede nanorør på 4-tommer siliciumwafers og brugte dem til at skabe membraner med exceptionelle transportegenskaber i skala.

"Opskalering af kulstof nanorørmembraner uden at indføre lækager er ingen lille opgave, " sagde hovedforfatter og LLNL postdoc-forsker Melinda Jue. "Vi kontrollerer og karakteriserer nøje vores membraner for at sikre, at de er defekte-fri, før vi bruger dem til nøjagtigt at måle flowforbedring."

Der er 10 gange flere ledende nanorør i disse store membraner end tidligere opnået.

"Ved at bruge en høj tæthed af kulstof nanorør som transportveje, vi er i stand til at lave membraner, der er 6, 200 gange mere vandgennemtrængelige end forudsagt af teori og har vandgennemstrømning op til 10 gange større end kommercielt tilgængelige membraner med tilsvarende porestørrelse, sagde Francesco Fornasiero, LLNL-forskeren, der leder projektet.

Sammen med kvantificering af transportforbedringen muliggjort af kulstofnanorør, forskerholdet undersøgte nanofiltreringsevnen af ​​disse store kulstof-nanorørmembraner.

"Du kunne forestille dig at bruge disse membraner til effektivt at adskille højt saltvandsopløsninger, hvor du vil fjerne saltet, mens du koncentrerer den mere værdifulde komponent, " sagde Jue.

Ydeevneforringelse på grund af begroning er en stor hindring i den udbredte brug af membranteknologier, og modvirkning af dens virkninger kræver behandling af membranerne med skrappe kemikalier. Den robuste natur af carbon nanorør og polymermatrixen fører også til fremragende kemisk stabilitet, gør det nemt at rengøre membranerne. "Så når membranen bliver snavset, du kan rense den med blegemiddel uden at skulle bekymre dig om nedbrydning som med typiske polymermembraner, " sagde Jue.