De onderzoeksgroep van professor Matsuyama Hideto aan het onderzoekscentrum voor membraan- en filmtechnologie van de universiteit van Kobe heeft met succes een nieuw ontziltingsmembraan ontwikkeld. Ze bereikten dit door een tweedimensionaal koolstofmateriaal op het oppervlak van een poreus polymeermembraan te lamineren.

Ontziltingsmembranen worden gebruikt om zoet water te produceren uit zeewater. Om het wereldwijde probleem van onvoldoende zoetwatervoorraden op te lossen, onderzoekers streven naar de ontwikkeling van ontziltingsmembranen die niet alleen sneller door water worden doordrongen dan de momenteel in gebruik zijnde membranen, maar die ook efficiënt zout verwijderen, zodat effectiever, energiezuinige ontziltingssystemen kunnen worden geïmplementeerd.

In deze onderzoeksstudie grafeenoxide nanosheets, die een soort tweedimensionaal nanomateriaal zijn, werden gestapeld op het oppervlak van een poreus membraan na een chemische reductiebehandeling te hebben ondergaan, waardoor een ontziltingsmembraanlaag van ongeveer 50 nanometer (nm) kan worden ontwikkeld. Het ontwikkelde membraan heeft het potentieel om zeer efficiënte ontzilting uit te voeren, omdat het mogelijk is om de openingen tussen de nanosheets en de lading op de oppervlakken van de nanosheets te regelen. Gehoopt wordt dat dit onderzoek zal bijdragen aan de toepassing en implementatie van futuristische ontziltingsmembranen.

Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Journal of Materials Chemistry A op 18 november, 2020.

Hoofdpunten

• De onderzoekers ontwikkelden met succes een nieuw ontziltingsmembraan met behulp van tweedimensionale nanosheets.
• De chemische reductiebehandeling van de grafeenoxide-nanosheets versterkte de π-π-stapeling tussen de nanosheets.
• De π-π-stapeling verbeterde de stabiliteit van het nanosheet-gelamineerde membraan en maakte het mogelijk om de tussenlaag tussen elke nanosheet te manipuleren.
• Op porfyrine gebaseerde vlakke moleculen met geladen groepen en een geconjugeerd π-systeem werden tussen de nanosheets geïntroduceerd. Dit resulteerde in elektrostatische afstoting tussen het grafeenoxide en de negatieve lading van de vlakke verbinding, waardoor de onderzoekers de beweging van de anionen binnen de nanokanalen kunnen controleren.
• Het door dit onderzoek ontwikkelde nanosheet-gelamineerde membraan was in staat om de permeatie van natriumchloride (NaCl) met 95% af te weren. In de toekomst, deze onderzoeksresultaten kunnen bijdragen aan het creëren van nieuwe, hoogwaardige membraantechnologieën voor ontzilting.

Onderzoeksachtergrond

97,5% van het water op aarde is zeewater en slechts 2,5% is zoet water. Binnen dit percentage is slechts 0,01% van de zoetwaterbronnen kan gemakkelijk worden behandeld om door de mensheid te worden gebruikt. Echter, de menselijke bevolking blijft elk jaar toenemen. Bijgevolg, er is voorspeld dat over een aantal jaren, twee derde van de wereldbevolking zal onvoldoende toegang hebben tot zoet water. Een wereldwijd watertekort is een van de grootste problemen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd. Daarom, technologieën die de nodige hulpbronnen kunnen verkrijgen door het overvloedige zeewater van de aarde in zoet water om te zetten, zijn van het grootste belang.

Verdampingsmethoden zijn gebruikt om zeewater om te zetten in zoet water, ze hebben echter grote hoeveelheden energie nodig om het zeewater te verdampen en het zout te verwijderen (ontzilting). Anderzijds, membraanscheidingsmethoden bieden een energiezuinig alternatief; ze maken de productie van zoet water mogelijk door water uit zeewater te filteren en het zout te verwijderen. Er zijn methoden geïmplementeerd om zoet water uit zeewater te produceren met behulp van membranen, met de tot nu toe ontwikkelde ontziltingsmembranen is er echter altijd een afweging tussen permeatiesnelheid en ontziltingsvermogen. Daarom, het is van vitaal belang om een ​​revolutionair ontziltingsmembraan te ontwikkelen uit nieuwe materialen om deze wisselwerking op te lossen en het mogelijk te maken om zeewater efficiënter te ontzilten.

onderzoeksmethode

Dit onderzoeksteam ontwikkelde een zeer functioneel ontziltingsmembraan door het membraan te lamineren met een tweedimensionaal koolstofmateriaal met de dikte van ongeveer een koolstofatoom. Deze 2D-koolstofmaterialen waren grafeenoxide-nanobladen die chemisch werden gereduceerd om ze een versterkte π-π-interactie te geven.

Door nanosheetcoatings aan te brengen met intercalatie van op porfyrine gebaseerde vlakke moleculen (met geladen groepen en een geconjugeerd π-systeem) op het oppervlak van een poreus membraan, de onderzoeksgroep was in staat om een ​​ultradunne ontziltingsmembraanlaag van ongeveer 50 nm dik te construeren.

Deze laag vertoonde een hoge ionenblokkerende functionaliteit omdat de grootte van de nanokanalen (de openingen tussen elke nanoplaat) binnen 1 nm kon worden geregeld. Verder, de openingen tussen de nanokanalen in het met nanovel gelamineerde membraan vertoonden continue waterstabiliteit vanwege de sterke π-π-stapeling tussen de vellen, suggereert de mogelijkheid dat het voor een lange periode kan worden gebruikt. In aanvulling, er was geen verlies van ontziltingsfunctionaliteit, zelfs niet onder een druk van 20 bar.

De onderzoekers onthulden dat de overdracht van ionen in het ontwikkelde nanosheet-gelamineerde membraan effectief werd onderdrukt door elektrostatische afstoting op het nanosheet-oppervlak. Deze elektrostatische afstoting was zeer effectief wanneer de breedte van de nanokanalen op de juiste manier werd geregeld. Voor het nanosheetmateriaal dat in dit onderzoek is gebruikt, de breedte van de nanokanalen zou kunnen worden beperkt door het chemische reductieproces en de intercalatieverhouding van op porfyrine gebaseerde vlakke moleculen te regelen.

NaCl is het hoofdbestanddeel van zeewaterionen en het is bijzonder moeilijk te voorkomen dat het het membraan binnendringt. Echter, een nanosheet-gelamineerd membraan geproduceerd onder optimale omstandigheden was in staat om ongeveer 95% NaCl te blokkeren.

Verdere ontwikkelingen

Het 2-D nanosheet-gelamineerde membraan dat door dit onderzoek is ontwikkeld, werd geproduceerd door de reductie van de geoxideerde grafeenplaat en de intercalatieverhouding van vlakke moleculen te reguleren, waardoor zowel de tussenlaagruimte tussen de nanosheets als het elektrostatische afstotingseffect konden worden gecontroleerd. Naast ontziltingsmembranen, deze techniek kan ook worden toegepast bij de ontwikkeling van verschillende elektrolytscheidingsmembranen.

Energiezuinige ontziltingstechnologieën met scheidingsmembranen zijn onmisbaar voor het terugdringen van watertekorten. Gehoopt wordt dat de technologie zal bijdragen aan het oplossen van het probleem van de wereldwijde opdrogende watervoorraden. Volgende, het onderzoeksteam zal proberen de hoge functionaliteit van het ontwikkelde membraan verder te verbeteren, zodat het uitgevoerd kan worden.