16 Kasım 2023 (Nanowerk Gündemi) Büyüyen küresel su krizi dünya çapında insan sağlığına ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Boyalar, ağır metaller ve uçucu organik bileşikler gibi toksik kirletici maddelerden kaynaklanan su kirliliği kötüleşirken, suyun insan kullanımı ve çevresel iyileştirme amacıyla arıtılması ve arıtılması için yenilikçi çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Membran bazlı filtreleme umut vericidir ancak mevcut malzemeler stabilite, maliyet ve kirletici madde giderme aralığı açısından sınırlamalarla karşı karşıyadır. Şimdi, Wuhan Üniversitesi ve Purdue Üniversitesi'nden araştırmacılar, entegre olan yeni bir hibrit membran geliştirdiler. grafen ve metal organik çerçeveler (MOF'ler) bu zorlukların üstesinden gelmek için. Bulguları, şu adreste yayınlandı: Gelişmiş Fonksiyonel Malzemeler (“Sinerjik Çok Seviyeli Eleme Membranları: Üstün Çok Aşamalı Su Ayrışımı için Hücresel Grafen İskeletini Sürekli MOF Nano Katmanıyla Bütünleştirme”), filtreleme koşulları altında stabil kalarak geniş bir su kirletici madde yelpazesini verimli bir şekilde eleyebilen bir grafen-MOF membranını göstermektedir.
Çok fazlı su moleküler elek için sürekli MOF nanokatmanlı (CMN) lazer kaynaklı çok seviyeli hücresel grafen iskeleti. a) Femtosaniye lazerle indüklenen çok seviyeli grafen iskelet eleğinin şeması ve beton detayları. I) Femtosaniye lazer dahili ablatif ve termal şok. II) Lazer kaynaklı çok seviyeli grafen iskeleti. III) ZIF-8 kullanılarak MOF'ların yerinde büyümesi ve ligand değişimi. b) c) Çok fazlı su moleküler eleme şematik diyagramındaki moleküler eleğin şeması. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Membran bazlı su arıtma, kirletici maddeleri filtrelemek ve seçici eleme yoluyla suyu arıtmak için gözenekli filmler kullanır. Gözenekli nanomalzemelerin bir sınıfı olan MOF'ler etkileyici moleküler eleme yeteneği gösterir, ancak uygulamaları sınırlı eleme aralığı, çözelti kararsızlığı ve karmaşık işleme gereksinimleri nedeniyle kısıtlanmıştır. Grafen, yüksek güneş emilimi ve geçirgenliği sunar ancak MOF'ların seçici eleme yeteneklerinden yoksundur.
Yeni çalışma, lazer kaynaklı grafen (LIG) ve sürekli MOF katmanlarını sağlam bir hibrit membrana entegre ederek bu sınırlamaların üstesinden geliyor. LIG üretimi, ticari bir polimer film içinde grafen oluşumunu tetiklemek için bir femtosaniye lazer kullanıyor ve su arıtımı için ideal mikro/nano gözeneklere sahip çok seviyeli bir "grafen iskeleti" (MGKS) üretiyor. Araştırmacılar daha sonra yerinde hidrotermal sentez yoluyla LIG iskeleti içinde MOF parçacıklarının (ZIF-8) sürekli bir nano katmanını büyüttüler. Ortaya çıkan çok katmanlı membran, her iki malzemenin gücünü birleştirir; LIG, mükemmel güneş emilimi ve su geçirgenliği ile stabil bir omurga sağlarken, MOF katmanı hassas moleküler elemeye olanak tanır.
Ortaya çıkan MGKS, yüzeyinde seçici molekül elemesinin anahtarı olan düzenli mikro ve nano gözenekler sergiliyor. Lazer aynı zamanda tabanda kademeli lamelleri oluşturarak verimli çok fazlı su akışını kolaylaştırır. Filtrasyon koşulları altında grafenin stabilitesini güçlendirmek için araştırmacılar, yerinde çekirdeklenme ve ligand değişimi yoluyla iskelet boyunca MOF ZIF-8'in sürekli bir nano katmanını büyüttüler. Özelleştirilmiş ZIF-8 sentezi, daha küçük kirletici maddelerin elenmesine yardımcı olan daha küçük nanogözenekler ortaya çıkardı.
Bu grafen-MOF hibrit membranı, çok düzeyli, çok gözenekli boyutta bir eleme stratejisi kullanır. Mikron grafen ağı, yağları ve büyük molekülleri emer. 10 nm nano gözenekleri kirletici maddelerin yakalanması için geniş bir yüzey alanı sağlar. Hidroksil ve karboksil gibi gömülü fonksiyonel gruplar, besleme suyundaki ağır metal iyonlarını azaltır. Son olarak, 0.34 nm'lik ultra küçük ZIF-8 gözenekleri, suyun geçmesine izin verirken uçucu organik bileşikleri filtreler.
Titiz malzeme karakterizasyonu, hibrit membranın bileşimini ve özelliklerini doğruladı. Testler, optimize edilmiş LIG yapısının gerçek dünyadaki kullanım için gereken yüksek kristalliğe ve termal stabiliteye sahip olduğunu gösterdi. MOF katmanı, grafen iskeletindeki kusurları doldurarak membran bütünlüğünü iyileştirdi. Bu sonuçlar, membranın endüstriyel su arıtmanın zorlu koşulları altında performansını koruyabileceğini gösterdi.
Testler, membranın güneş enerjili buhar üretimini ve kirletici madde giderme performansını doğruladı. Dört ağır metal iyonunu etkili bir şekilde içme suyu standartlarının altında elerken, olağanüstü güneş ışığı emilimi ve çeşitli ışınlama koşullarında %90 referans buharlaşma verimliliği elde etti. ZIF-8 katmanı ayrıca organik boyaları tamamen yakaladı ve uçucu organik çözücüleri önemli ölçüde uzaklaştırdı.
Basınçla yönlendirilen sıvı filtrasyonu altında membranın hidrofobik ve lipofilik özellikleri, yağ-su ayrımını mümkün kıldı. Bir yağ-su karışımını filtrelerken yağ fraksiyonunun tamamını adsorbe etti. Güneş enerjisiyle çalışan filtrelemeden daha az verimli olmasına rağmen, basınçla çalıştırılan işlem yine de uçucu organikleri, ağır metalleri ve boyaları kayda değer bir dereceye kadar azalttı.
Genel olarak, optimize edilmiş grafen iskeletinin stabilitesi ve ZIF-8'in seçici elemesi, geniş bir yelpazedeki su kirleticilerini ortadan kaldırmak için birleştirildi. Bu, yalnızca önceki grafen ve MOF membranlarının sınırlamalarının üstesinden gelir. Kolay üretim yöntemi aynı zamanda ölçeklenebilir üretime de olanak tanır.
Bu araştırma membran teknolojisinde heyecan verici yeni bir yöne öncülük ediyor. Kolay LIG-MOF üretim yöntemi ve olağanüstü performans, grafen/MOF hibritlerinin gerçek dünyadaki su arıtma konusundaki vaatlerini yerine getirmesine yönelik kapıları açar. Özellikle sıvı fazlı uygulamalarda bazı sınırlamalar devam etse de, güneş enerjisiyle elde edilen sonuçlar son derece umut verici.
Daha fazla optimizasyonla bu yaklaşım, su arıtma yeteneklerini genişletebilir ve geleneksel olmayan kaynakların sürdürülebilir kullanımını sağlayabilir. Yazarların belirttiği gibi, lazer parametrelerinin ve MOF seçiminin ayarlanması, membranın yapısını istenen uygulamalara göre uyarlama esnekliği sağlar.
By
Michael
Berger
Çok fazlı su moleküler elek için sürekli MOF nanokatmanlı (CMN) lazer kaynaklı çok seviyeli hücresel grafen iskeleti. a) Femtosaniye lazerle indüklenen çok seviyeli grafen iskelet eleğinin şeması ve beton detayları. I) Femtosaniye lazer dahili ablatif ve termal şok. II) Lazer kaynaklı çok seviyeli grafen iskeleti. III) ZIF-8 kullanılarak MOF'ların yerinde büyümesi ve ligand değişimi. b) c) Çok fazlı su moleküler eleme şematik diyagramındaki moleküler eleğin şeması. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Membran bazlı su arıtma, kirletici maddeleri filtrelemek ve seçici eleme yoluyla suyu arıtmak için gözenekli filmler kullanır. Gözenekli nanomalzemelerin bir sınıfı olan MOF'ler etkileyici moleküler eleme yeteneği gösterir, ancak uygulamaları sınırlı eleme aralığı, çözelti kararsızlığı ve karmaşık işleme gereksinimleri nedeniyle kısıtlanmıştır. Grafen, yüksek güneş emilimi ve geçirgenliği sunar ancak MOF'ların seçici eleme yeteneklerinden yoksundur.
Yeni çalışma, lazer kaynaklı grafen (LIG) ve sürekli MOF katmanlarını sağlam bir hibrit membrana entegre ederek bu sınırlamaların üstesinden geliyor. LIG üretimi, ticari bir polimer film içinde grafen oluşumunu tetiklemek için bir femtosaniye lazer kullanıyor ve su arıtımı için ideal mikro/nano gözeneklere sahip çok seviyeli bir "grafen iskeleti" (MGKS) üretiyor. Araştırmacılar daha sonra yerinde hidrotermal sentez yoluyla LIG iskeleti içinde MOF parçacıklarının (ZIF-8) sürekli bir nano katmanını büyüttüler. Ortaya çıkan çok katmanlı membran, her iki malzemenin gücünü birleştirir; LIG, mükemmel güneş emilimi ve su geçirgenliği ile stabil bir omurga sağlarken, MOF katmanı hassas moleküler elemeye olanak tanır.
Ortaya çıkan MGKS, yüzeyinde seçici molekül elemesinin anahtarı olan düzenli mikro ve nano gözenekler sergiliyor. Lazer aynı zamanda tabanda kademeli lamelleri oluşturarak verimli çok fazlı su akışını kolaylaştırır. Filtrasyon koşulları altında grafenin stabilitesini güçlendirmek için araştırmacılar, yerinde çekirdeklenme ve ligand değişimi yoluyla iskelet boyunca MOF ZIF-8'in sürekli bir nano katmanını büyüttüler. Özelleştirilmiş ZIF-8 sentezi, daha küçük kirletici maddelerin elenmesine yardımcı olan daha küçük nanogözenekler ortaya çıkardı.
Bu grafen-MOF hibrit membranı, çok düzeyli, çok gözenekli boyutta bir eleme stratejisi kullanır. Mikron grafen ağı, yağları ve büyük molekülleri emer. 10 nm nano gözenekleri kirletici maddelerin yakalanması için geniş bir yüzey alanı sağlar. Hidroksil ve karboksil gibi gömülü fonksiyonel gruplar, besleme suyundaki ağır metal iyonlarını azaltır. Son olarak, 0.34 nm'lik ultra küçük ZIF-8 gözenekleri, suyun geçmesine izin verirken uçucu organik bileşikleri filtreler.
Titiz malzeme karakterizasyonu, hibrit membranın bileşimini ve özelliklerini doğruladı. Testler, optimize edilmiş LIG yapısının gerçek dünyadaki kullanım için gereken yüksek kristalliğe ve termal stabiliteye sahip olduğunu gösterdi. MOF katmanı, grafen iskeletindeki kusurları doldurarak membran bütünlüğünü iyileştirdi. Bu sonuçlar, membranın endüstriyel su arıtmanın zorlu koşulları altında performansını koruyabileceğini gösterdi.
Testler, membranın güneş enerjili buhar üretimini ve kirletici madde giderme performansını doğruladı. Dört ağır metal iyonunu etkili bir şekilde içme suyu standartlarının altında elerken, olağanüstü güneş ışığı emilimi ve çeşitli ışınlama koşullarında %90 referans buharlaşma verimliliği elde etti. ZIF-8 katmanı ayrıca organik boyaları tamamen yakaladı ve uçucu organik çözücüleri önemli ölçüde uzaklaştırdı.
Basınçla yönlendirilen sıvı filtrasyonu altında membranın hidrofobik ve lipofilik özellikleri, yağ-su ayrımını mümkün kıldı. Bir yağ-su karışımını filtrelerken yağ fraksiyonunun tamamını adsorbe etti. Güneş enerjisiyle çalışan filtrelemeden daha az verimli olmasına rağmen, basınçla çalıştırılan işlem yine de uçucu organikleri, ağır metalleri ve boyaları kayda değer bir dereceye kadar azalttı.
Genel olarak, optimize edilmiş grafen iskeletinin stabilitesi ve ZIF-8'in seçici elemesi, geniş bir yelpazedeki su kirleticilerini ortadan kaldırmak için birleştirildi. Bu, yalnızca önceki grafen ve MOF membranlarının sınırlamalarının üstesinden gelir. Kolay üretim yöntemi aynı zamanda ölçeklenebilir üretime de olanak tanır.
Bu araştırma membran teknolojisinde heyecan verici yeni bir yöne öncülük ediyor. Kolay LIG-MOF üretim yöntemi ve olağanüstü performans, grafen/MOF hibritlerinin gerçek dünyadaki su arıtma konusundaki vaatlerini yerine getirmesine yönelik kapıları açar. Özellikle sıvı fazlı uygulamalarda bazı sınırlamalar devam etse de, güneş enerjisiyle elde edilen sonuçlar son derece umut verici.
Daha fazla optimizasyonla bu yaklaşım, su arıtma yeteneklerini genişletebilir ve geleneksel olmayan kaynakların sürdürülebilir kullanımını sağlayabilir. Yazarların belirttiği gibi, lazer parametrelerinin ve MOF seçiminin ayarlanması, membranın yapısını istenen uygulamalara göre uyarlama esnekliği sağlar.
By
Michael
Berger
– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©
Nanowerk LLC
Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64065.php
