Ett internationellt team av forskare, inklusive forskare från Shinshu University (Japan) och chefen för Penn State's ATOMIC Center, har utvecklat en grafenbaserad beläggning för avsaltningsmembran som är mer robust och skalbar än nuvarande nanofiltreringsmembranteknologier. Resultatet kan bli ett robust och praktiskt membran för rena vattenlösningar samt proteinseparation, avloppsvattenrening och tillämpningar inom läkemedels- och livsmedelsindustrin.

"Vår dröm är att skapa ett smart membran som kombinerar höga flödeshastigheter, hög effektivitet, lång livslängd, självläkande och eliminerar biologisk och oorganisk nedsmutsning för att tillhandahålla rent vattenlösningar för många delar av världen där rent vatten är ont om, säger Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi och materialvetenskap och teknik, Penn State. "Det här arbetet tar oss i den riktningen."

Hybridmembranet som teamet utvecklade använder en enkel spray-on-teknik för att belägga en blandning av grafenoxid och fålagers grafen i lösning på ett ryggradsstödmembran av polysulfon modifierad med polyvinylalkohol. Stödmembranet ökade robustheten hos hybridmembranet, som kunde stå emot intensivt tvärflöde, högt tryck och klorexponering. Även i tidiga utvecklingsstadier, membranet avvisar 85 procent av saltet, lämplig för jordbruksändamål men inte för att dricka, och 96 procent av färgämnesmolekylerna. Mycket förorenande färgämnen från textiltillverkning släpps vanligen ut i floder i vissa delar av världen.

Klor används i allmänhet för att mildra biopåväxt i membran, men klor försämrar snabbt prestandan hos nuvarande polymermembran. Tillsatsen av fålagers grafen gör det nya membranet mycket motståndskraftigt mot klor.

Grafen är känt för att ha hög mekanisk styrka, och porös grafen förutspås ha 100 procent saltavstötning, vilket gör det till ett potentiellt idealiskt material för avsaltningsmembran. Dock, det finns många utmaningar med att skala upp grafen till industriella kvantiteter inklusive kontroll av defekter och behovet av komplexa överföringstekniker som krävs för att hantera det tvådimensionella materialet. Det nuvarande arbetet försöker övervinna skalbarhetsproblemen och tillhandahålla en billig, membran av hög kvalitet i tillverkningsskala.

Arbetet utfördes i Global Aqua Innovation Center och Institute of Carbon Science and Technology vid Shinshu University, Nagano, Japan, där Terrones också är en Distinguished Invited Professor. I teamet ingår forskarna Aaron Morelos-Gomez, Josue Ortiz-Medina och Rodolfo Cruz-Silva, tidigare Ph.D. studenter från Terrones. Morelos-Gomez är huvudförfattare på en tidning som publicerades online den 28 augusti i Naturens nanoteknik som beskriver deras arbete med titeln "Effektiv NaCL och färgavstötning av hybridgrafenoxid/grafenskiktade membran." De japanska forskarna, Hiroyuki Muramatsu, Takumi Araki, Tomoyuki Fukuyo, Syogo Tejima, Kenji Takeuchi, och Takuya Hayashi, leddes också av professor Morinobu Endo.

Första författaren Aaron Morelos-Gomez säger, "Vårt membran övervinner grafenoxidens vattenlöslighet genom att använda polyvinylalkohol som ett lim som gör det resistent mot starkt vattenflöde och höga tryck. Genom att blanda grafenoxid med grafen kan vi också förbättra dess kemiska motståndskraft avsevärt."

Professor Morinobu Endo drar slutsatsen att "detta är det första steget mot effektivare och smartare membran som kan anpassa sig själv beroende på sin miljö."