2021年1月25
神户大学膜与膜技术研究中心的松山英人教授的研究小组已经成功开发出一种新的脱盐膜。他们通过将二维碳材料(*1)叠层到多孔聚合物膜(*2)的表面来实现这一目标。
海水淡化膜用于从海水中生产淡水。为了解决全球淡水资源不足的问题，研究人员正在努力开发海水淡化膜，不仅比目前使用的海水渗透速度更快，而且还能有效地除盐，从而实现更有效、更低能耗的海水淡化系统。
在这个研究中,石墨烯氧化物(* 4)nanosheets,这是一种二维纳米材料,后被堆放在多孔膜的表面被给予减少化学治疗(* 5),使海水淡化膜层大约50纳米(纳米)开发1/20000th毫米(纳米)。
这种膜具有实现高效脱盐的潜力，因为它可以控制纳米片之间的间隙和纳米片表面的电荷。希望该研究对未来海水淡化膜的应用和实现有所帮助。
这些研究结果发表在材料化学学报A亚博网站下载2020年11月18日。
要点
- 研究人员成功地利用二维纳米片开发了一种新的脱盐膜。
- 氧化石墨烯纳米片的化学还原处理增强了纳米片之间的π- π堆积(*6)。
- π- π叠加提高了纳米薄片层压膜的稳定性，并使控制每个纳米薄片之间的层间间隙成为可能。
- 在纳米片之间引入了带有带电基团的基于卟啉的平面分子(*7)和共轭π体系(*8)。这导致了石墨烯氧化物与平面化合物负电荷之间的静电斥力(*9)，使研究人员能够控制纳米通道(*11)内阴离子(*10)的运动。
- 通过本研究制备的纳米层合膜对氯化钠(NaCl)的渗透抑制率为95%。在未来，这些研究成果将有助于创造新的、高性能的海水淡化膜技术。
研究背景
地球上97.5%的水是海水，只有2.5%是淡水。在这个百分比中，只有0.01%的淡水资源可以很容易地处理以供人类利用。然而，人口每年都在继续增长。因此，据预测，在几年后，世界人口的三分之二将无法充分获得淡水。
全球水资源短缺是人类面临的最严重问题之一。因此，通过将地球上丰富的海水转化为淡水来获取必要资源的技术是至关重要的。
蒸发方法已经被用来将海水转化为淡水，但是它们需要大量的能量来蒸发海水和除去盐分(脱盐)。
另一方面，膜分离方法提供了一种低能量的替代方法;它们通过过滤海水中的水并去除盐分来生产淡水。利用膜从海水中生产淡水的方法已经实现，但是，随着海水淡化膜的发展，渗透速度和海水淡化能力之间总是存在权衡。
因此，开发一种革命性的新材料海水淡化膜是至关重要的，以解决这个问题，并使海水淡化以更高的效率成为可能。亚博网站下载
研究方法
该研究小组利用与碳原子厚度相当的二维碳材料，制作出了功能强大的海水淡化膜。这些二维碳材料是经过化学还原的氧亚博网站下载化石墨烯纳米片，以增强π-π相互作用。
通过将插入卟啉基平面分子(带有带电基团和共轭π体系)的纳米涂层涂到多孔膜的表面，研究小组能够构建一个约50nm厚的超薄脱盐膜层(图1)。
由于纳米通道(每个纳米片之间的间隙)的尺寸可以控制在1nm以内，因此该层具有高离子阻挡功能。此外，纳米薄片层合膜中纳米通道之间的间隙显示出连续的水稳定性，这是由于纳米薄片层合膜之间存在强π- π堆积，表明纳米薄片层合膜可以长期利用。
此外，即使在20巴的压力下，也没有失去脱盐功能。
研究人员发现，纳米片表面的静电斥力有效地抑制了离子在开发的纳米片层压膜内的转移(图2)。当纳米通道的宽度适当控制时，这种静电斥力非常有效。
对于本研究中使用的纳米片材料，可以通过控制化学还原过程和卟啉基平面分子插层比来限制纳米通道的宽度。
NaCl是海水离子的主要成分，尤其难以阻止其渗透膜。然而，在最佳条件下制备的纳米薄片层压膜能够阻挡95%左右的NaCl。
进一步发展
通过调节氧化石墨烯薄片的还原和平面分子的插层比例，从而控制纳米薄片之间的层间空间和静电斥力效应，制备出二维纳米薄片层合膜。
除海水淡化膜外，该技术还可应用于各种电解质分离膜的开发。
使用分离膜的低能量海水淡化技术对于减少水资源短缺是必不可少的。人们希望这项技术将有助于解决全世界水资源枯竭的问题。
下一步，研究团队将努力进一步提高已开发膜的高功能性，使其能够实施。
术语表
- 二维碳材料:在二维空间中共价结合的单层碳原子。特别是，石墨烯是一层单层的碳原子，具有稳定的共价键，排列在蜂窝状晶格中。
- 多孔聚合物膜:具有几纳米到100纳米之间的超细孔的膜。
- 海水淡化:处理海水以产生淡水。
- 石墨烯氧化物:通过氧化石墨烯制备的一种碳材料。石墨烯氧化时，会被环氧基、羧基、羰基、羟基等多种含氧官能团修饰。
- 化学还原治疗:还原剂用来还原氧化物的过程。本研究采用L-抗坏血酸和氨还原氧化石墨烯。
- π- π叠加(Pi-Pi叠加):有机化合物中芳香环之间发生的相互作用。
- 平面复合:具有二维(平面)结构的化合物。
- 共轭π体系:由双键形成的π电子不局限于分子的某一部分，而是广泛分布的一种分子结构的总称。当一个双键和一个单键相连时就会发生这种情况。
- 静电排斥:包裹在匹配电子周围的离子与离子官能团之间的斥力迫使离子和离子官能团分离。
- 阴离子:负离子获得一个或多个额外电子的离子，使其带负电荷
- 纳米通道:有纳米大小的缝隙的通道。
来源:https://www.kobe-u.ac.jp/en/index.html