Die Membrantrenntechnologie wurde aufgrund ihrer hohen Behandlungseffizienz, ihres geringen Platzbedarfs und ihrer zuverlässigen Abwasserqualität weithin als vorteilhaftere Technologie anerkannt. Sein weiteres nachhaltiges Wachstum wurde jedoch durch Membranfouling behindert. Obwohl in den letzten Jahrzehnten große Anstrengungen unternommen wurden, um die Antifouling-Leistung durch verschiedene Modifikationsstrategien zu verbessern, besitzen die erhaltenen Membranen jedoch im Allgemeinen eine kompliziertere Oberflächenchemie, was für die Membranfouling-Kontrolle ungünstig ist.
Die Polarität von Molekülen bestimmt wesentlich ihr molekulares Wechselwirkungsverhalten. Unpolare Membranen können beim Antifouling Vorteile aufweisen, da das elektrische Dipolmoment nahe Null ist, was der Ablagerung von Schadstoffen auf der Membranoberfläche nicht förderlich ist. Ein solch fundamentaler Wechselwirkungsmechanismus wird jedoch in den bisherigen Studien zur Herstellung und Modifikation von Membranen selten berücksichtigt.
Auch unpolare Materialien wurden in früheren Studien zur Herstellung von Membranen nicht ausreichend berücksichtigt. Obwohl Kohlenstoffnanoröhren zunehmend für die Membranherstellung eingesetzt wurden, waren die potenziellen vorteilhaften Auswirkungen ihrer unpolaren Eigenschaft kaum untersucht worden. In einigen Studien wurden vertikal ausgerichtete CNT-Membranen entwickelt, die jedoch aufgrund der begrenzten Porengröße und Porosität nicht für Mikro-/Ultrafiltrationsprozesse geeignet sind.
Um diese Barrieren zu überwinden, haben Forscher der Beijing Forestry University und der Tsinghua University eine unpolare super-ausgerichtete CNT (SACNT)-Membran mit einer Schicht-für-Schicht-Cross-Tacking-Strategie hergestellt. Ihre Studie zeigt, dass die Oberflächenchemie von SACNT-Membranen einfach und inert ist, wodurch möglicherweise durch kovalente Bindungen verursachtes Membranfouling eliminiert wird.
Außerdem erzielten die SACNT-Membranen im Vergleich zu kommerziellen Membranen eine deutlich höhere Selektivität bei vergleichbarer oder höherer Permeabilität Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik im Jahr 2023.
In dieser Studie fand das Forschungsteam heraus, dass die Oberflächenchemie der SACNT-Membranen einfach und inert ist, wodurch möglicherweise die durch kovalente Bindung induzierte Membranverschmutzung eliminiert wird. Außerdem zeigten die SACNT-Membranen ein typisches unpolares Benetzungsverhalten mit hohen Kontaktwinkeln für polare Flüssigkeiten (Wasser: ~124,9°–126,5°; Formamid: ~80,0°–83,9°), aber niedrigen Kontaktwinkeln für unpolares Diiodmethan (~18,8°– 20,9°). Ihre Forschung erzielte eine glattere und gleichmäßigere Struktur mit höherer Permeabilität als kommerzielle Membranen. Die Reinigungseffizienz der SACNT-Membran in der kommunalen Abwasserbehandlung stieg um das 2,3-fache, die Öl / Wasser-Trenneffizienz erreichte 99,2%.
Diese Studie schlug erfolgreich eine neuartige unpolare SACNT-Membran vor, indem ein schichtweises Cross-Stacking-Verfahren unter Verwendung der unpolaren Kohlenstoffnanoröhren als Rohmaterial verwendet wurde. Diese Arbeit bietet nicht nur eine neue Lösung für das Problem der Membranverschmutzung in der Membrantrenntechnik, sondern verbessert auch die Effizienz der kommunalen Abwasserbehandlung und Abwasserrückgewinnung, was eine breite Anwendungsperspektive in verschiedenen Bereichen hat.
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Shuang Zhang et al., Unpolare, kreuzweise gestapelte, superausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren-Membran für eine effiziente Abwasserbehandlung, Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik (2022). DOI: 10.1007/s11783-023-1630-3
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