Ny fotokatalytisk membran, der kan renses ved hjælp af lysenergi

Et internationalt samarbejde ledet af forskere fra Kobe University har med succes udviklet en nanopladelamineret fotokatalytisk membran, der viser både fremragende vandpermeans og fotokatalytisk aktivitet. Membranens fotokatalytiske egenskaber gør den lettere at rengøre, da bestråling af membranen med lys med succes reducerer begroning. De udviklede denne membran ved at laminere 2D nanomaterialer (nanoplader) på en porøs understøtning.

Denne revolutionerende membranteknologi kan anvendes til vandrensning og har således potentialet til at bidrage til at tackle både globale miljø- og energiproblemer ved at hjælpe med at sikre sikker drikkevandsforsyning og ren energi. Det er håbet, at dette vil fremskynde udviklingen mod CO2-neutrale, bæredygtige samfund.

Denne udvikling blev lavet af en forskergruppe ved Kobe University's Graduate School of Science, Technology and Innovation/Research Center for Membrane and Film Technology (lektor NAKAGAWA Keizo, professor YOSHIOKA Tomohisa og professor MATSUYAMA Hideto) i samarbejde med professor TACHIKAWA Takashi fra Kobe University Molecular Photoscience Research Center, lektor Chechia Hu fra National Taiwan University of Science &Technology og professor Shik Chi Edman Tsang fra Oxford University.

Resultaterne blev først offentliggjort i Chemical Engineering Journal den 7. april 2022.

Tilstrækkelig adgang til vand i mange regioner i verden er ved at blive et stigende problem i lyset af de globale klimaændringer og udviklingslandenes kraftige befolkningstilvækst og økonomiske vækst. Det er blevet rapporteret, at to tredjedele af verdens befolkning vil lide under vandmangel i 2025. For at forhindre denne alvorlige vandmangel, den udbredte anvendelse af vandgenbrugs- og rensningsteknologier, samt effektiv brug af vandproduktionsteknologier (f.eks. afsaltning af havvand), er afgørende.

Membranfiltreringsmetoden bruges i dag i 900 vandrensningsanlæg, fordi den kontinuerligt og stabilt giver vand af god kvalitet. Der er dog problemet med membranbegroning, hvor membranen, som adskiller og fjerner forurenende stoffer fra vandet, bliver tilstoppet. Når der opstår membrantilsmudsning, er det ikke længere muligt at opnå den nødvendige mængde behandlet vand. Derfor er det nødvendigt enten at vaske eller udskifte membranen. For at løse dette problem er der blevet udført megen forskning i forskellige metoder til forebyggelse af tilsmudsning, men der er endnu ikke fundet en tilstrækkelig løsning.

Der er foreslået en metode, der kræver mindre energi og har en lav miljøbelastning. Dette involverer at indføre et fotokatalytisk materiale (såsom titaniumdioxid) i membranen og fjerne forurenende stoffer via fotokatalyse. Men ud over at kunne behandle vand, skal en sådan membran også demonstrere synlig lysfølsomhed og høj fotokatalytisk aktivitet. Dette kræver, at designeren overvejer membranens design fra flere perspektiver, herunder membranmaterialet og strukturen.

Denne forskergruppe har tidligere udviklet en nanofiltreringsmembran, som fungerer ved at bruge 2D-kanaler mellem dens lag af nanoark. De udviklede denne membran ved at laminere niobat nanoplader (en type metallisk oxid nanoplade, hvor hvert ark er omkring en nanometer tykt og et par hundrede nanometer bredt) på en porøs støttemembran, som skabte 2D-kanalerne mellem nanopladerne.

I denne undersøgelse opdagede de, at tilføjelse af carbonnitrid-nanoark (som har synlig lysfølsomhed) til den niobat-nanoarklagede membran gav membranen forbedret vandgennemtrængning, mens den i høj grad øgede den fotokatalytiske aktivitet. Ydermere korrigerede membranens fotokatalytiske egenskaber fuldstændigt problemet med, at membranens permeans blev reduceret på grund af tilsmudsning.

Nanosheet-laminerede membraner kan dannes ved simpel vakuumfiltrering af nanosheetmaterialer (kolloide opløsninger) på polymerunderstøtningsmembraner. I denne undersøgelse producerede forskergruppen en ultratynd nanoplade-lamineret membran på omkring 100 nanometer i tykkelse (figur 1a). Røntgendiffraktions- og molekylvægtsfraktioneringsmålinger afslørede, at introduktion af carbonnitrid-nanoplader i en niobat-nanoark-lamineret membran kunne kontrollere diameteren af ​​nanokanaler mellem lagene.

Med hensyn til membranfunktionalitet, den laminerede nanofiltreringsmembran med et forhold på 74:25 af niobat (HNB₃ O₈ ) nanoark til carbonnitrid (g-C₃ N₄ ) nanoark bibeholdt sin adskillelsesevne, mens den demonstrerede en 8-fold stigning i vandpermeans (figur 1b). Med hensyn til fotokatalytisk ydeevne gjorde integrationen af ​​carbonnitrid nanoplader det muligt at absorbere synligt lys. Derudover forbedrede denne kombination af nanoark i høj grad membranens evne til at fotonedbryde kationiske farvestoffer (rhodamin B) (figur 1c).

Når den udviklede kompositmembran bruges som separationsmembran, giver niobat nanopladerne den laminerede membran sin struktur, mens kulnitridet indføres mellem disse lag og fungerer som et spacer. Følgelig udvides kanalerne i den laminerede membran, hvilket i høj grad øger hastigheden af ​​vandgennemtrængning (venstre side af figur 2a). Styring af kanalstrukturen på denne måde gør det muligt at separere 90% af et farvestof (med molekylvægt på ca. 1000) fra vandet.

Den fotokatalytiske funktionalitet af membranen er som følger:carbonnitrid nanopladerne fungerer som fotokatalysatorer, der absorberer synligt lys, og niobat nanopladerne fungerer som katalytiske promotorer. Desuden afslørede forskningsgruppen, at passende kontrol af båndstrukturen gjorde det muligt for elektronerne at bevæge sig effektivt, hvilket resulterede i en dramatisk stigning i fotokatalytisk aktivitet (højre side af figur 2a). Ved at bruge disse resultater som grundlag anvendte forskerne membranen til vandrensning og udførte et membranbegroningseksperiment med bovint serumalbumin (BSA) som begroning. BSA-begroning reducerede vandgennemtrængningshastigheden af ​​membranen til 1/5 af dens normale ydeevne. Det lykkedes dog forskerne fuldstændigt at genoprette dens permeance ved at bestråle den sammensatte nanosheet-membran (figur 2b).

Ved at sammenvæve forskellige typer nanoark for at danne 2D nanokanaler, udviklede forskerne med succes en membran, der demonstrerer både fremragende vandpermeans og fotokatalytisk aktivitet. Det forventes, at der kan foretages yderligere forbedringer af membranfunktionalitet og fotokatalytisk virkning ved at ændre typen af ​​nanoark for mere præcist at kontrollere dannelsen af ​​2D nanokanaler og båndstrukturen. Dernæst håber forskerne at øge membranarealet og udvikle den fotokatalytiske proces med henblik på industriel og praktisk anvendelse. + Udforsk yderligere

Meget funktionel membran udviklet til fremstilling af ferskvand fra havvand