Een innovatieve strategie voor efficiënte afvalwaterzuivering: kruislings gestapelde superuitgelijnde koolstofnanobuismembranen

Membraanscheidingstechnologie wordt algemeen erkend als een meer voordelige technologie vanwege de hoge behandelingsefficiëntie, lage voetafdruk en betrouwbare effluentkwaliteit. De verdere duurzame groei wordt echter belemmerd door membraanvervuiling. Hoewel er in de afgelopen decennia grote inspanningen zijn geleverd om de antifouling-prestaties te verbeteren via verschillende modificatiestrategieën, hebben de verkregen membranen gewoonlijk een meer gecompliceerde oppervlaktechemie, wat ongunstig is voor de controle van membraanvervuiling.

De polariteit van moleculen bepaalt in wezen hun moleculaire interactiegedrag. Niet-polaire membranen kunnen voordelen hebben bij aangroeiwerende eigenschappen omdat het elektrische dipoolmoment bijna nul is, wat niet bevorderlijk is voor de afzetting van verontreinigende stoffen op het membraanoppervlak. Een dergelijk fundamenteel interactiemechanisme wordt echter zelden overwogen in de eerdere onderzoeken naar membraanfabricage en -modificatie.

Ook zijn niet-polaire materialen niet voldoende betrokken geweest bij eerdere onderzoeken naar membraanvoorbereiding. Hoewel koolstofnanobuisjes steeds vaker werden gebruikt voor de fabricage van membranen, waren de potentiële gunstige effecten van het niet-polaire kenmerk ervan nauwelijks onderzocht. Enkele onderzoeken ontwikkelden verticaal uitgelijnde CNT-membranen, maar deze zijn niet geschikt voor micro-/ultrafiltratieprocessen vanwege de beperkte poriegrootte en porositeit.

Om deze barrières aan te pakken, hebben onderzoekers van Beijing Forestry University en Tsinghua University een niet-polair super-uitgelijnd CNT (SACNT) -membraan gemaakt met een laag-voor-laag cross-tacking-strategie. Hun studie onthult dat de chemie van het SACNT-membraanoppervlak eenvoudig en inert is, waardoor door covalente binding veroorzaakte membraanvervuiling mogelijk wordt geëlimineerd.

Bovendien verkregen de SACNT-membranen, vergeleken met de commerciële membranen, een significant hogere selectiviteit terwijl ze een vergelijkbare of hogere permeabiliteit bereikten. Grenzen van milieuwetenschap en -techniek in 2023.

In deze studie ontdekte het onderzoeksteam dat de oppervlaktechemie van de SACNT-membranen eenvoudig en inert is, waardoor de door covalente binding geïnduceerde membraanvervuiling mogelijk wordt geëlimineerd. Bovendien vertoonden de SACNT-membranen een typisch apolair bevochtigingsgedrag, met hoge contacthoeken voor polaire vloeistoffen (water: ~124,9°–126,5°; formamide: ~80,0°–83,9°) maar lage contacthoeken voor niet-polair dijoodmethaan (~18,8°– 20,9°). Hun onderzoek leverde een gladdere en meer uniforme structuur op met een hogere permeabiliteit dan commerciële membranen. Het SACNT-membraan in de reinigingsefficiëntie van de gemeentelijke afvalwaterzuivering steeg met 2,3 keer, de efficiëntie van de olie / waterscheiding bereikte 99,2%.

Deze studie heeft met succes een nieuw niet-polair SACNT-membraan voorgesteld door een laag-voor-laag cross-stacking-methode te gebruiken met behulp van de niet-polaire koolstofnanobuisjes als grondstof. Dit werk biedt niet alleen een nieuwe oplossing voor het probleem van membraanverontreiniging in membraanscheidingstechnologie, maar verbetert ook de efficiëntie van gemeentelijke rioolwaterzuivering en afvalwaterterugwinning, die op verschillende gebieden een breed toepassingsperspectief heeft.