Een internationaal team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van de Shinshu University (Japan) en de directeur van het ATOMIC Center van Penn State, heeft een op grafeen gebaseerde coating voor ontziltingsmembranen ontwikkeld die robuuster en schaalbaarder is dan de huidige nanofiltratiemembraantechnologieën. Het resultaat kan een stevig en praktisch membraan zijn voor zowel schoonwateroplossingen als eiwitscheiding, afvalwaterbehandeling en toepassingen in de farmaceutische en voedingsindustrie.

"Onze droom is om een ​​slim membraan te creëren dat hoge stroomsnelheden combineert, hoge efficiëntie, lange levensduur, zelfherstellend en elimineert bio- en anorganische vervuiling om schone wateroplossingen te bieden voor de vele delen van de wereld waar schoon water schaars is, " zegt Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde en techniek, Penn State. "Dit werk brengt ons in die richting."

Het hybride membraan dat het team ontwikkelde, maakt gebruik van een eenvoudige spray-on-technologie om een ​​mengsel van grafeenoxide en grafeen met weinig lagen in oplossing te coaten op een ruggengraat ondersteunend membraan van polysulfon gemodificeerd met polyvinylalcohol. Het steunmembraan verhoogde de robuustheid van het hybride membraan, die bestand was tegen intense cross-flow, hoge druk en blootstelling aan chloor. Zelfs in de vroege stadia van ontwikkeling, het membraan stoot 85 procent van het zout af, geschikt voor landbouwdoeleinden, maar niet om te drinken, en 96 procent van de kleurstofmoleculen. Zeer vervuilende kleurstoffen uit de textielproductie worden in sommige delen van de wereld vaak in rivieren geloosd.

Chloor wordt over het algemeen gebruikt om biofouling in membranen te verminderen, maar chloor verslechtert snel de prestatie van de huidige polymeermembranen. De toevoeging van grafeen met weinig lagen maakt het nieuwe membraan zeer goed bestand tegen chloor.

Van grafeen is bekend dat het een hoge mechanische sterkte heeft, en er wordt voorspeld dat poreus grafeen 100 procent zoutafstoting heeft, waardoor het een potentieel ideaal materiaal is voor ontziltingsmembranen. Echter, er zijn veel uitdagingen bij het opschalen van grafeen naar industriële hoeveelheden, waaronder het beheersen van defecten en de behoefte aan complexe overdrachtstechnieken die nodig zijn om het tweedimensionale materiaal te verwerken. Het huidige werk probeert de schaalbaarheidsproblemen te overwinnen en een goedkope, membraan van hoge kwaliteit op productieschaal.

Het werk werd uitgevoerd in het Global Aqua Innovation Center en het Institute of Carbon Science and Technology aan de Shinshu University, Nagano, Japan, waar Terrones ook een Distinguished Invited Professor is. Het team omvat onderzoekers Aaron Morelos-Gomez, Josue Ortiz-Medina en Rodolfo Cruz-Silva, voormalig Ph.D. studenten van Terrones. Morelos-Gomez is hoofdauteur van een paper dat op 28 augustus online is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie het beschrijven van hun werk getiteld "Effectieve NaCL en kleurstofafstoting van hybride grafeenoxide / grafeen gelaagde membranen." De Japanse onderzoekers, Hiroyuki Muramatsu, Takumi Araki, Tomoyuki Fukuyo, Syogo Tejima, Kenji Takeuchi, en Takuya Hayashi, werden ook geleid door professor Morinobu Endo.

Eerste auteur Aaron Morelos-Gomez zegt:"Ons membraan overwint de wateroplosbaarheid van grafeenoxide door polyvinylalcohol als kleefstof te gebruiken, waardoor het bestand is tegen sterke waterstroming en hoge drukken. Door grafeenoxide te mengen met grafeen kunnen we ook de chemische weerstand aanzienlijk verbeteren."

Professor Morinobu Endo concludeert dat "dit de eerste stap is naar effectievere en slimme membranen die zichzelf kunnen aanpassen aan hun omgeving."