03. März 2020 (Nanowerk-Scheinwerfer) Nanofluidische Membranen basierend auf zweidimensionale (2D) Materialien sind vielversprechende Materialien für die Wasserentsalzung und -reinigung der nächsten Generation. Beispielsweise blockieren makellose und chemisch modifizierte Graphenoxidmembranen (GOMs) wirksam organische Farbstoffe und Nanopartikel mit einer Größe von nur 9 Å. Allerdings können diese Nanomembranen kleinere anorganische Salzionen nicht ausschließen, die zur Gewinnung von reinem Trinkwasser aus unkonventionellen Wasserquellen wie Salzwasser, Industrieabwasser und Regenwasser erforderlich wären. Forscher haben eine Reihe von Strategien vorgeschlagen, um das Sieben kleiner anorganischer Salzionen zu bewältigen, beispielsweise durch die Reduzierung des Zwischenschichtabstands auf nur wenige Angström. Eine entscheidende Herausforderung für solche physikalisch oder chemisch komprimierten GOMs ist jedoch der extrem geringe Wasserfluss (<0.1 Lm).-2h-1Bar-1), was verhindert, dass sie in realen Anwendungen verwendet werden. In neuen Arbeiten berichtet in Fortgeschrittene Werkstoffe („Durch ein elektrisches Feld induziertes Ionensieben an planaren Graphenoxid-Heteroübergängen zur miniaturisierten Wasserentsalzung“) haben Forscher in China über eine Graphenoxidmembran berichtet, die eine hocheffiziente Salzionensiebung erreicht, ohne dass der Abstand zwischen den Schichten verringert werden muss. „Mit unserem neuartigen Ansatz, den wir genannt haben planare heterogene Grenzflächenentsalzungkönnen wir eine leistungsstarke Wasserentsalzung mit einer Rückweisungsrate von 97 % für NaCl und einem außergewöhnlich hohen Wasserdurchfluss von 1529 Lm erreichen-2h-1Bar-1„, sagt Professor Wei Guo vom Technischen Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking gegenüber Nanowerk. „Wir haben dies durch einen umgekehrten T-förmigen Wasserextraktionsmodus erreicht, der keine Komprimierung des Zwischenschichtabstands der Graphenoxidmembran erfordert.“
Herstellung und Charakterisierung einer planaren heterogenen Graphenoxidmembran (PHGOM). ac) Schema und Fotos des Dual-Flow-Filtrationsaufbaus. n-GO- (dunkelgelb) und p-GO-Lösungen (braun) werden in den durch eine Plastikschindel getrennten Filterbehälter mit zwei Kammern gegeben. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) (zum Vergrößern auf das Bild klicken) „Unterstützt durch ein elektrisches Vorwärtsfeld erzeugt das biunipolare Ionentransportverhalten in den entgegengesetzt geladenen Graphenoxid-Mehrfachschichten eine bemerkenswerte Salzkonzentrationsverarmungszone im Übergangsbereich und bietet somit eine Möglichkeit zur Gewinnung von entionisiertem Wasser“, betont Guo. „Unser vorgeschlagener umgekehrter T-förmiger Wasserextraktionsmodus unterscheidet sich völlig von herkömmlichen Membranfiltrationsprozessen und ist effektiver für die Gewinnung von Frischwasser aus zweidimensionalen Schichtmaterialien.“ Während bei herkömmlichen Filtrationsmembranen der Wasserfluss in vertikaler Richtung durch die Membran verläuft, absorbiert der neuartige Ansatz des Teams die Zufuhrlösung von den seitlichen Enden in die Membran und sauberes Wasser wird dann in vertikaler Richtung aus der Membran entnommen. Die Forscher weisen darauf hin, dass ihre neuartige und unkonventionelle Dual-Flow- (oder Multi-Flow-)Filtrationsmethode die gleichzeitige Strukturierung von zwei oder mehr verschiedenen Arten von kolloidalen 2D-Materialien in seitlich verbundene planare Mehrschichtkonfigurationen ermöglicht. Laut Guo lässt sich diese Methode problemlos auf andere kolloidale 2D-Materialien erweitern, um neue Funktionalität und bessere Leistung zu erreichen.
Schema des Funktionsmechanismus der Entsalzung auf Basis einer planaren heterogenen Graphenoxidmembran (PHGOM). Das elektrische Vorwärtsfeld erzeugt in der Übergangszone einen Salzkonzentrationsverarmungszustand. Unter einem Unterdruck (-ΔP) kann entionisiertes Wasser aus dem PHGOM extrahiert werden. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) (zum Vergrößern auf das Bild klicken) „Mit einer hohen Salzrückhalterate von nahezu 97 % weist unsere PHGOM-basierte Entsalzung den höchsten Wasserfluss unter den bestehenden anorganischen, polymeren und biohybriden Membranen auf basierte Systeme bisher“, sagt Guo. „Sie ist um mehr als zwei Größenordnungen höher als bei polymeren Umkehrosmosemembranen und Mischmatrixmembranen (<10 Lm).-2h-1Bar-1) und übertrifft sogar die Aquaporin-basierten Membranen (601 Lm).-2h-1Bar-1) und poröses Monoschicht-Graphen (252 Lm).-2h-1Bar-1).“ Darüber hinaus beträgt der Gesamtenergieverbrauch pro Kubikmeter Frischwasser des Geräts des Teams ∼0.28 kWh, was niedriger ist als bei herkömmlichen Entsalzungsprozessen (>0.5 kWh). Der thermodynamische Wirkungsgrad des PHGOM-basierten Entsalzungsgeräts erreicht 50.0 % und liegt damit vor dem hochmodernen Meerwasser-Umkehrosmose- (SWRO) und Brackwasser-Umkehrosmose- (BWRO) Entsalzungsverfahren (<40 %). „Der minimale Arbeitsdruck beträgt in unserem Test 0.4 bar; Das bedeutet, dass sogar ein erwachsener Mensch Wasser aus der Membran saugen kann“, schließt Guo. „Diese planare Entsalzungsmethode mit heterogener Grenzfläche unterscheidet sich völlig von allen früheren Entsalzungsmethoden. Es ist ein vielversprechendes tragbares Wasserentnahmegerät mit geringem Energieverbrauch.“
By Michael Berger - Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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