Wie kann man die Wasserdurchlässigkeit und Rückhalteleistung von RGO-Membranen verbessern? RGO-MXene-Membranen geben Antwort

Die Membrantrenntechnik hat sich aufgrund ihrer Vorteile von hoher Trennleistung, komfortabler Bedienung und niedrigem Energieverbrauch zu einer der effektivsten Methoden zur Wasseraufbereitung entwickelt. Die aus Graphenoxid (GO) hergestellten Membranen haben aufgrund ihrer hohen Wasserdurchlässigkeit, die dem schnellen Wassertransport in den atomar glatten sp2-Regionen (nicht oxidierten Regionen) ihrer Membrankanäle zuzuschreiben ist, große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Membranen aus reduziertem Graphenoxid (RGO) sind im Vergleich zu Membranen aus Graphenoxid (GO) theoretisch dem schnellen Transport von Wassermolekülen in ihren Kanälen förderlicher, da sie weniger sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen und mehr nicht oxidierte Bereiche aufweisen.

Experimentelle Ergebnisse aus der Literatur zeigten jedoch, dass die RGO-Membranen im Allgemeinen sehr niedrige Wasserdurchlässigkeiten aufweisen, sogar niedriger als 1,0 L/(m2·h·bar). Der Reduktionsprozess von GO zu RGO kann die Anzahl der funktionellen Sauerstoffgruppen auf RGO-Nanoblättern verringern, daher weisen RGO-Membranen eine schwächere Hydrophilie und einen engeren Zwischenschichtabstand auf.

Trotz des schnellen Transports von Wassermolekülen in den nicht oxidierten Bereichen von RGO-Membrankanälen könnten ihre schwach hydrophilen und engen Membrankanäle den Eintritt von Wassermolekülen in die Kanäle behindern, was zu einer geringeren Wasserdurchlässigkeit führt. Außerdem würde die Reduktion von funktionellen Sauerstoffgruppen auf der RGO-Membranoberfläche die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der Membran und geladenen Spezies schwächen, was die Zurückweisungsraten für diese geladenen Spezies verringern könnte.

Um das Problem zu lösen, dass die schwache Hydrophilie der RGO-Membran den Wassereintrittskanal hemmt und zu einer geringen Wasserdurchlässigkeit führt, haben Prof. Xie Quan von der Dalian University of Technology und seine Teammitglieder elektrisch leitfähige MXen-interkalierte RGO (RGO-MXene) konstruiert. Membranen mit benetzbarkeitsregulierten Kanälen durch Interkalation von MXene in RGO-Membranen.

Diese Studie mit dem Titel „Elektroleitende RGO-MXene-Membranen mit benetzbarkeitsregulierten Kanälen: verbesserte Wasserdurchlässigkeit und elektroverstärkte Abstoßungsleistung“ ist online in veröffentlicht Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik.

Das Forschungsteam stellte fest, dass die RGO-MXene-Verbundmembran eine hohe Reinwasserdurchlässigkeit von 62,1 l/(m2·h·bar) aufweist, etwa das 16,8-fache der RGO-Membran (3,7 l/(m2·h·bar)). Benetzbarkeitstestergebnisse und Molekulardynamiksimulationen legen nahe, dass die verbesserte Wasserdurchlässigkeit aus der verbesserten Benetzbarkeit der RGO-MXene-Membran und der erhöhten Rate von Wassermolekülen resultiert, die in die RGO-MXene-Kanäle eindringen.

Die RGO-MXene-Membran mit Elektrounterstützung profitiert von ihrer guten Leitfähigkeit und zeigt deutlich erhöhte Rückhalteraten für negativ geladene Farbstoffe (von 56,0 % bei 0 V auf 91,4 % bei 2,0 V für Orange G), ohne den Permeatfluss zu verringern, was zugeschrieben werden könnte zu verstärkter elektrostatischer Abstoßung unter Elektrounterstützung.

In dieser Arbeit werden elektrisch leitfähige RGO-MXene-Membranen hergestellt, indem MXene in RGO-Membranen interkaliert wird. Die Benetzbarkeit der Membran wird reguliert, indem der Massenprozentsatz von MXen in der Verbundmembran eingestellt wird. Benetzbarkeitseigenschaften und Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass die Membranbenetzbarkeit und die Rate der Wassermoleküle, die in die Membrankanäle eindringen, wichtige Faktoren für die Verbesserung des Wasserflusses sind.

Darüber hinaus zeigt die RGO-MXene-Membran verbesserte Rückweisungsraten für geladene Farbstoffe unter Elektrounterstützung. Es wird erwartet, dass diese Arbeit eine neue Perspektive für die zukünftige Forschung zum Aufbau neuartiger Membrankanalstrukturen mit hohem Wassertransport und Molekülabstoßung bietet.