Diagram över membranet. Vattengenomträngning induceras av nanokanalerna. Det är svårt för jonerna att komma in i nanokanalerna, så att de inte lätt kan tränga igenom membranet. Kredit:Kobe University
Professor Matsuyama Hidetos forskargrupp vid Kobe Universitys forskningscenter för membran- och filmteknologi har framgångsrikt utvecklat ett nytt avsaltningsmembran. De uppnådde detta genom att laminera ett tvådimensionellt kolmaterial på ytan av ett poröst polymermembran.
Avsaltningsmembran används för att producera sötvatten från havsvatten. För att lösa den globala frågan om otillräckliga sötvattenresurser, forskare strävar efter att utveckla avsaltningsmembran som inte bara genomträngs av vatten snabbare än de som för närvarande används utan också tar bort salt effektivt, så att mer effektivt, lågenergiavsaltningssystem kan implementeras.
I denna forskningsstudie, grafenoxid nanoark, som är en typ av tvådimensionellt nanomaterial, staplades på ytan av ett poröst membran efter att ha fått en kemisk reduktionsbehandling, vilket möjliggör att ett avsaltningsmembranskikt på cirka 50 nanometer (nm) kan utvecklas. Det utvecklade membranet har potential att utföra högeffektiv avsaltning eftersom det är möjligt att kontrollera gapen mellan dess nanosheets och laddningen på nanosheets ytor. Förhoppningen är att denna forskning kommer att bidra till tillämpning och implementering av futuristiska avsaltningsmembran.
Dessa forskningsresultat publicerades i Journal of Materials Chemistry A den 18 november, 2020.
Huvudpunkter
Forskningsbakgrund
97,5 % av vattnet på jorden är havsvatten och endast 2,5 % är sötvatten. Inom denna procentsats, bara 0,01 % av sötvattenresurserna kan lätt behandlas för att kunna användas av mänskligheten. Dock, den mänskliga befolkningen fortsätter att öka varje år. Följaktligen, det har förutspåtts att på flera år, två tredjedelar av världens befolkning kommer att ha otillräcklig tillgång till sötvatten. En världsomspännande vattenbrist är en av de allvarligaste problemen som mänskligheten står inför. Därför, Teknik som kan erhålla de nödvändiga resurserna genom att omvandla jordens rikliga havsvatten till sötvatten är av största vikt.
Förångningsmetoder har använts för att omvandla havsvatten till sötvatten, men de kräver stora mängder energi för att avdunsta havsvattnet och ta bort saltet (avsaltning). Å andra sidan, membranseparationsmetoder ger ett lågenergialternativ; de gör det möjligt att producera sötvatten genom att filtrera bort vattnet ur havsvattnet och ta bort saltet. Metoder för att producera sötvatten från havsvatten med hjälp av membran har implementerats, men med de avsaltningsmembran som hittills utvecklats finns det alltid en avvägning mellan genomträngningshastighet och avsaltningsförmåga. Därför, det är viktigt att utveckla ett revolutionerande avsaltningsmembran från nya material för att lösa denna kompromiss och för att göra det möjligt att avsalta havsvatten med högre effektivitet.
Scanning Electron Microscope Bild av det nanosheet-laminerade membranet utvecklats genom denna forskning. Kredit:Membrane Engineering Group, Kobe universitet
Forskningsmetodik
Detta forskarteam utvecklade ett mycket funktionellt avsaltningsmembran genom att laminera membranet med ett tvådimensionellt kolmaterial med ungefärlig tjocklek av en kolatom. Dessa 2D-kolmaterial var grafenoxidnanoark som reducerades kemiskt för att ge dem en förstärkt π-π-interaktion.
Genom att applicera nanoarkbeläggningar med interkalering av porfyrinbaserade plana molekyler (med laddade grupper och ett konjugerat π-system) på ytan av ett poröst membran, forskargruppen kunde konstruera ett ultratunt avsaltningsmembranskikt med en tjocklek av cirka 50 nm.
Detta lager visade hög jonblockerande funktionalitet eftersom storleken på nanokanalerna (mellanrummen mellan varje nanoark) kunde kontrolleras inom 1 nm. Vidare, gapen mellan nanokanalerna i det nanoarklaminerade membranet visade kontinuerlig vattenstabilitet på grund av den starka π-π-staplingen mellan arken, antyder möjligheten att den kan användas under en lång tid. Dessutom, det var ingen förlust av avsaltningsfunktionalitet även under ett tryck på 20 bar.
Forskarna avslöjade att överföringen av joner inuti det utvecklade nanosheet-laminerade membranet effektivt undertrycktes av elektrostatisk repulsion på nanosheetytan. Denna elektrostatiska repulsion var mycket effektiv när bredden på nanokanalerna kontrollerades på lämpligt sätt. För nanoarkmaterialet som används i denna studie, nanokanalernas bredd kan begränsas genom att kontrollera den kemiska reduktionsprocessen och interkalationsförhållandet för porfyrinbaserade plana molekyler.
NaCl är huvudkomponenten i havsvattenjoner och det är särskilt svårt att förhindra att det tränger igenom membranet. Dock, ett nanoarklaminerat membran producerat under optimala förhållanden kunde blockera cirka 95 % av NaCl.
Ytterligare utvecklingar
Det 2-D nanosheet-laminerade membranet som utvecklats genom denna forskning producerades genom att reglera reduktionen av det oxiderade grafenarket och interkalationsförhållandet för plana molekyler, vilket i sin tur gjorde det möjligt att kontrollera både mellanskiktsutrymmet mellan nanoarken och den elektrostatiska repulsionseffekten. Förutom avsaltningsmembran, denna teknik kan också tillämpas på utvecklingen av olika elektrolytseparationsmembran.
Lågenergiavsaltningstekniker som använder separationsmembran är oumbärliga för att minska vattenbristen. Förhoppningen är att tekniken ska bidra till att lösa problemet med att vattenresurserna torkar ut världen över. Nästa, forskargruppen kommer att försöka förbättra det utvecklade membranets höga funktionalitet ytterligare, så att den kan genomföras.
