Представлена фотокаталитическая мембрана, которую можно очищать с помощью энергии света

Прочитано: 116 раз(а)


В рамках международного сотрудничества под руководством исследователей из Университета Кобе была успешно разработана фотокаталитическая мембрана, ламинированная нанолистами, которая демонстрирует как превосходную водопроницаемость, так и фотокаталитическую активность. Фотокаталитические свойства мембраны облегчают ее очистку, поскольку облучение мембраны светом успешно уменьшает загрязнение. Они разработали эту мембрану путем ламинирования двумерных наноматериалов (нанолистов) на пористую подложку.

Эта революционная мембранная технология может применяться для очистки воды и, таким образом, может внести свой вклад в решение глобальных экологических и энергетических проблем , помогая обеспечить безопасную питьевую воду и чистую энергию. Есть надежда, что это ускорит движение к углеродно-нейтральным, устойчивым обществам.

Эта разработка была сделана исследовательской группой Высшей школы науки, технологий и инноваций/Исследовательского центра мембранных и пленочных технологий Университета Кобе (доцент НАКАГАВА Кейдзо, профессор ЁШИОКА Томохиса и профессор МАЦУЯМА Хидето) в сотрудничестве с профессором ТАЧИКАВА Такаши из Университета Кобе. Исследовательский центр молекулярной фотографии, доцент Чечиа Ху из Национального тайваньского университета науки и технологий и профессор Шик Чи Эдман Цанг из Оксфордского университета.

Результаты были впервые опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal 7 апреля 2022 года.

Адекватный доступ к воде во многих регионах мира становится все более серьезной проблемой в условиях глобального изменения климата, резкого роста населения и экономического роста развивающихся стран. Сообщалось, что к 2025 году две трети населения мира будут страдать от нехватки воды. Чтобы предотвратить эту острую нехватку воды , широкое внедрение технологий повторного использования и очистки воды, а также эффективное использование технологий производства воды (например, опреснение морской воды), имеют решающее значение.

Метод мембранной фильтрации в настоящее время используется на 900 водоочистных сооружениях, поскольку он непрерывно и стабильно обеспечивает получение воды хорошего качества. Однако существует проблема загрязнения мембраны, когда мембрана, которая отделяет и удаляет загрязняющие вещества из воды, засоряется. Когда происходит обрастание мембраны, уже невозможно получить необходимое количество очищенной воды. Поэтому приходится либо промывать, либо менять мембрану. Чтобы решить эту проблему, было проведено много исследований различных методов предотвращения обрастания, однако достаточное решение еще не найдено.

Был предложен один метод, который требует меньше энергии и имеет низкое воздействие на окружающую среду. Это включает в себя введение фотокаталитического материала (например, титана) в мембрану и удаление загрязняющих веществ посредством фотокатализа. Однако такая мембрана не только способна обрабатывать воду, но и должна демонстрировать чувствительность к видимому свету и высокую фотокаталитическую активность. Это требует от проектировщика рассмотрения конструкции мембраны с разных точек зрения, включая материал и структуру мембраны.

Эта исследовательская группа ранее разработала нанофильтрационную мембрану, которая работает за счет использования двумерных каналов между слоями нанолистов. Они разработали эту мембрану путем ламинирования нанолистов ниобата (разновидность нанолистов оксида металла, каждый лист имеет толщину около нанометра и ширину пару сотен нанометров) на пористую опорную мембрану, которая создала двумерные каналы между нанолистами.

В этом исследовании они обнаружили, что добавление нанолистов нитрида углерода (обладающих чувствительностью к видимому свету) к мембране из ниобатных нанолистов повысило водопроницаемость мембраны при значительном увеличении фотокаталитической активности. Кроме того, фотокаталитические свойства мембраны полностью решили проблему снижения проницаемости мембраны из-за загрязнения.

Ламинированные нанолистовые мембраны могут быть образованы простой вакуумной фильтрацией нанолистовых материалов (коллоидных растворов) на полимерных опорных мембранах. В этом исследовании исследовательская группа изготовила ультратонкую ламинированную нанолистовую мембрану толщиной около 100 нанометров (рис. 1а). Рентгеновская дифракция и измерения фракционирования по молекулярной массе показали, что введение нанолистов нитрида углерода в мембрану, ламинированную нанолистами ниобата, может контролировать диаметр наноканалов между слоями.

С точки зрения функциональности мембраны, ламинированная нанофильтрационная мембрана с соотношением нанолиста ниобата (HNB 3 O 8 ) и нанолиста нитрида углерода (gC 3 N 4 ) 74:25 сохранила свою разделительную способность, демонстрируя 8-кратное увеличение водопроницаемости ( Рисунок 1б). Что касается фотокаталитических характеристик, то интеграция нанолистов из нитрида углерода позволила поглощать видимый свет. Кроме того, эта комбинация нанолистов значительно улучшила способность мембраны к фоторазложению катионных красителей (родамин B) (рис. 1c).

При использовании разработанной композитной мембраны в качестве разделительной мембраны нанолисты ниобата придают ламинированной мембране ее структуру, а нитрид углерода вводится между этими слоями и выполняет роль спейсера. Следовательно, каналы в ламинированной мембране расширяются, значительно увеличивая скорость проникновения воды (левая часть рисунка 2а). Такой контроль структуры канала позволяет отделить 90% красителя (с молекулярной массой около 1000) от воды.

Фотокаталитическая функциональность мембраны следующая: нанолисты нитрида углерода действуют как фотокатализаторы, поглощающие видимый свет, а нанолисты ниобата действуют как каталитические промоторы. Кроме того, исследовательская группа обнаружила, что правильное управление зонной структурой позволяет электронам двигаться эффективно, что приводит к резкому увеличению фотокаталитической активности (правая часть рисунка 2а). Используя эти результаты в качестве основы, исследователи применили мембрану для очистки воды и провели эксперимент по загрязнению мембраны, используя в качестве загрязнителя бычий сывороточный альбумин (БСА). Загрязнение BSA снизило скорость проникновения воды через мембрану до 1/5 от ее нормальной производительности. Однако исследователям удалось полностью восстановить ее проницаемость путем облучения композитной нанолистовой мембраны (рис. 2b).

Переплетая различные типы нанолистов для формирования двумерных наноканалов, исследователи успешно разработали мембрану, которая демонстрирует как превосходную водопроницаемость, так и фотокаталитическую активность. Ожидается, что дальнейшие улучшения функциональности мембраны и фотокаталитического действия могут быть достигнуты путем изменения типа нанолиста для более точного контроля образования двумерных наноканалов и ленточной структуры. Далее исследователи надеются увеличить площадь мембраны и разработать фотокаталитический процесс, нацеленный на промышленное и практическое применение.

Представлена фотокаталитическая мембрана, которую можно очищать с помощью энергии света



Новости партнеров