Hoe de waterdoorlatendheid en afstotingsprestaties van RGO-membranen verbeteren? RGO-MXene membranen geven antwoord

Membraanscheidingstechnologie is een van de meest effectieve methoden voor waterbehandeling geworden, vanwege de voordelen van hoge scheidingsefficiëntie, gemakkelijke bediening en laag energieverbruik. De membranen die zijn gemaakt van grafeenoxide (GO) hebben veel aandacht gekregen vanwege hun hoge waterdoorlaatbaarheid, wat te danken is aan snel watertransport in de atomair gladde sp2-gebieden (niet-geoxideerde gebieden) van hun membraankanalen.

Gereduceerde grafeenoxide (RGO) -membranen zijn theoretisch meer bevorderlijk voor het snelle transport van watermoleculen in hun kanalen in vergelijking met grafeenoxide (GO) -membranen, omdat ze minder zuurstofbevattende functionele groepen en meer niet-geoxideerde gebieden hebben.

Experimentele resultaten uit de literatuur gaven echter aan dat de RGO-membranen over het algemeen een zeer lage waterdoorlatendheid vertonen, zelfs lager dan 1,0 L/(m²·h·bar). Het reductieproces van GO naar RGO kan het aantal functionele zuurstofgroepen op RGO-nanosheets verminderen, waardoor RGO-membranen een zwakkere hydrofiliciteit en een smallere tussenruimte tussen de lagen vertonen.

Ondanks het snelle transport van watermoleculen in de niet-geoxideerde gebieden van RGO-membraankanalen, kunnen hun zwak hydrofiele en smalle membraankanalen het binnendringen van watermoleculen in de kanalen belemmeren, wat resulteert in een lagere waterdoorlaatbaarheid. Bovendien zou de vermindering van functionele zuurstofgroepen op het RGO-membraanoppervlak de elektrostatische interacties tussen het membraan en geladen soorten verzwakken, wat de afwijzingspercentages voor deze geladen soorten zou kunnen verlagen.

Om het probleem op te lossen dat de zwakke hydrofiliciteit van het RGO-membraan het waterinvoerkanaal remt en leidt tot een lage waterdoorlaatbaarheid, hebben prof. Xie Quan van de Dalian University of Technology en zijn teamleden een elektrisch geleidende MXene-geïntercaleerde RGO (RGO-MXene) gebouwd. membranen met bevochtigbaarheid-gereguleerde kanalen door MXene in RGO-membranen te intercaleren.

Deze studie getiteld “Electroconductive RGO-MXene membranes with bevochtigbaarheid gereguleerde kanalen: verbeterde waterpermeabiliteit en elektro-verbeterde afstotingsprestaties” is online gepubliceerd in Grenzen van milieuwetenschap en -techniek.

Het onderzoeksteam ontdekte dat het RGO-MXene composietmembraan een hoge zuivere waterdoorlaatbaarheid vertoont van 62,1 L/(m²·h·bar), ongeveer 16,8 keer dat van het RGO-membraan (3,7 l/(m²·h·bar)). Bevochtigbaarheidstestresultaten en simulaties van moleculaire dynamica suggereren dat de verbeterde waterdoorlatendheid het gevolg is van de verbeterde bevochtigbaarheid van het RGO-MXene-membraan en de verhoogde snelheid waarmee watermoleculen de RGO-MXene-kanalen binnendringen.

Het RGO-MXene-membraan met elektro-ondersteuning profiteert van een goede geleidbaarheid en vertoont aanzienlijk hogere afwijzingspercentages voor negatief geladen kleurstoffen (van 56,0% bij 0 V tot 91,4% bij 2,0 V voor Orange G) zonder de permeaatflux te verminderen, wat kan worden toegeschreven tot verbeterde elektrostatische afstoting onder elektro-ondersteuning.

In dit werk worden elektrisch geleidende RGO-MXene-membranen bereid door MXene in RGO-membranen te intercaleren. De bevochtigbaarheid van het membraan wordt geregeld door het massapercentage MXene in het composietmembraan af te stemmen. Bevochtigbaarheidskarakteristieken en simulaties van moleculaire dynamica onthullen dat de bevochtigbaarheid van het membraan en de snelheid waarmee watermoleculen de membraankanalen binnendringen, belangrijke factoren zijn voor het verbeteren van de waterstroom.

Bovendien vertoont het RGO-MXene-membraan verbeterde afwijzingspercentages voor geladen kleurstoffen onder elektro-ondersteuning. Dit werk zal naar verwachting een nieuw perspectief bieden voor toekomstig onderzoek naar de constructie van nieuwe membraankanaalstructuren met hoog watertransport en molecuulafstoting.