Ett internationellt samarbete som leds av forskare från Kobe University har framgångsrikt utvecklat ett fotokatalytiskt membran som är laminerat med nanoark som visar både utmärkt vattenpermeans och fotokatalytisk aktivitet. Membranets fotokatalytiska egenskaper gör det lättare att rengöra eftersom bestrålning av membranet med ljus framgångsrikt minskar nedsmutsning. De utvecklade detta membran genom att laminera 2D nanomaterial (nanosheets) på ett poröst underlag.

Denna revolutionerande membranteknologi kan appliceras på vattenrening och har därmed potentialen att bidra till att tackla både globala miljö- och energifrågor genom att hjälpa till att säkerställa säker dricksvattenförsörjning och ren energi. Förhoppningen är att detta kommer att påskynda utvecklingen mot koldioxidneutrala, hållbara samhällen.

Denna utveckling gjordes av en forskargrupp vid Kobe Universitys Graduate School of Science, Technology and Innovation/Research Center for Membrane and Film Technology (docent NAKAGAWA Keizo, professor YOSHIOKA Tomohisa och professor MATSUYAMA Hideto) i samarbete med professor TACHIKAWA Takashi vid Kobe University Molecular Photoscience Research Center, docent Chechia Hu vid National Taiwan University of Science &Technology och professor Shik Chi Edman Tsang vid Oxford University.

Resultaten publicerades först i Chemical Engineering Journal den 7 april 2022.

Tillräcklig tillgång till vatten i många regioner i världen blir ett allt större problem inför de globala klimatförändringarna och utvecklingsländernas kraftiga befolkningsökningar och ekonomiska tillväxt. Det har rapporterats att två tredjedelar av världens befolkning kommer att lida av vattenbrist fram till 2025. För att förhindra denna allvarliga vattenbrist, det utbredda antagandet av vattenåtervinnings- och reningstekniker, samt effektiv användning av vattenproduktionsteknik (t.ex. avsaltning av havsvatten), är avgörande.

Membranfiltreringsmetoden används idag i 900 vattenreningsanläggningar eftersom den kontinuerligt och stabilt ger vatten av god kvalitet. Det finns dock problemet med membrannedsmutsning där membranet, som separerar och tar bort föroreningar från vattnet, blir igensatt. När membrannedsmutsning inträffar är det inte längre möjligt att erhålla den erforderliga mängden behandlat vatten. Därför är det nödvändigt att antingen tvätta eller byta ut membranet. För att ta itu med denna fråga har mycket forskning utförts på olika metoder för att förebygga nedsmutsning, men en tillräcklig lösning har ännu inte hittats.

En metod har föreslagits som kräver mindre energi och har låg miljöpåverkan. Detta innebär att ett fotokatalytiskt material (som titandioxid) införs i membranet och att föroreningar avlägsnas via fotokatalys. Men förutom att kunna behandla vatten måste ett sådant membran också visa känslighet för synligt ljus och hög fotokatalytisk aktivitet. Detta kräver att designern överväger membranets design ur flera perspektiv, inklusive membranets material och struktur.

Denna forskargrupp har tidigare utvecklat ett nanofiltreringsmembran, som fungerar genom att använda 2D-kanaler mellan dess lager av nanoark. De utvecklade detta membran genom att laminera niobate nanosheets (en typ av metalloxid nanosheet, där varje ark är cirka en nanometer tjockt och ett par hundra nanometer brett) på ett poröst stödmembran, vilket skapade 2D-kanalerna mellan nanosheets.

I den här studien upptäckte de att tillsats av nanoskivor av kolnitrid (som har känslighet för synligt ljus) till det skiktade membranet av niobat nanoark gav membranet förbättrad vattenpermeans samtidigt som den fotokatalytiska aktiviteten ökade kraftigt. Dessutom rättade de fotokatalytiska egenskaperna hos membranet helt till problemet med att membranets permeans minskade på grund av nedsmutsning.

Nanosheet-laminerade membran kan formas genom enkel vakuumfiltrering av nanosheetmaterial (kolloidala lösningar) på polymerstödmembran. I denna studie producerade forskargruppen ett ultratunt nanoarklaminerat membran med en tjocklek på cirka 100 nanometer (Figur 1a). Mätningar av röntgendiffraktion och molekylviktsfraktionering visade att införande av nanoskivor av kolnitrid i ett laminerat membran av niobat-nanoark kunde kontrollera diametern på nanokanalerna mellan skikten.

När det gäller membranfunktionalitet, det laminerade nanofiltreringsmembranet med ett förhållande på 74:25 av niobat (HNB₃ O₈ ) nanoark till kolnitrid (g-C₃ N₄ ) nanosheet bibehöll sin separationsprestanda samtidigt som den visade en 8-faldig ökning av vattenpermeans (Figur 1b). När det gäller fotokatalytisk prestanda gjorde integrationen av nanoskivor av kolnitrid att synligt ljus kunde absorberas. Dessutom förbättrade denna kombination av nanoark avsevärt membranets förmåga att fotonedbryta katjoniska färgämnen (rhodamin B) (Figur 1c).

När det utvecklade kompositmembranet används som separationsmembran ger nanoskivorna av niobat det laminerade membranet dess struktur, medan kolnitriden förs in mellan dessa skikt och fungerar som en spacer. Följaktligen expanderar kanalerna i det laminerade membranet, vilket kraftigt ökar hastigheten för vattengenomträngning (vänster sida av figur 2a). Genom att kontrollera kanalstrukturen på detta sätt kan 90 % av ett färgämne (med molekylvikt på cirka 1000) separeras från vattnet.

Membranets fotokatalytiska funktionalitet är som följer:nanoskivorna av kolnitrid fungerar som fotokatalysatorer som absorberar synligt ljus och nanoskivorna av niobat fungerar som katalytiska promotorer. Dessutom avslöjade forskargruppen att korrekt kontroll av bandstrukturen gjorde det möjligt för elektronerna att röra sig effektivt, vilket resulterade i en dramatisk ökning av fotokatalytisk aktivitet (höger sida av figur 2a). Med dessa resultat som bas använde forskarna membranet för vattenrening och genomförde ett membranföroreningsexperiment med bovint serumalbumin (BSA) som beväxning. BSA nedsmutsning minskade vattengenomträngningshastigheten för membranet till 1/5 av dess normala prestanda. Forskarna lyckades dock helt återställa dess permeans genom att bestråla det sammansatta nanosheetmembranet (Figur 2b).

Genom att sammanväva olika typer av nanoark för att bilda 2D nanokanaler, utvecklade forskarna framgångsrikt ett membran som visar både utmärkt vattenpermeans och fotokatalytisk aktivitet. Det förväntas att ytterligare förbättringar kan göras av membranfunktionalitet och fotokatalytisk verkan genom att ändra typen av nanoark för att mer exakt kontrollera bildandet av 2D nanokanaler och bandstrukturen. Därefter hoppas forskarna öka membranytan och utveckla den fotokatalytiska processen, med sikte på industriell och praktisk tillämpning. + Utforska vidare

Mycket funktionellt membran utvecklat för att producera sötvatten från havsvatten