Nieuw fotokatalytisch membraan dat kan worden gereinigd met lichtenergie

Een internationale samenwerking onder leiding van onderzoekers van de Kobe University heeft met succes een met nanosheets gelamineerd fotokatalytisch membraan ontwikkeld dat zowel een uitstekende waterdoorlatendheid als fotokatalytische activiteit vertoont. De fotokatalytische eigenschappen van het membraan maken het gemakkelijker schoon te maken, omdat het bestralen van het membraan met licht de vervuiling met succes vermindert. Ze ontwikkelden dit membraan door 2D-nanomaterialen (nanosheets) te lamineren op een poreuze drager.

Deze revolutionaire membraantechnologie kan worden toegepast op waterzuivering en heeft dus het potentieel om bij te dragen aan het aanpakken van zowel wereldwijde milieu- als energieproblemen door te zorgen voor veilige drinkwatervoorziening en schone energie. Het is te hopen dat dit de overgang naar koolstofneutrale, duurzame samenlevingen zal versnellen.

Deze ontwikkeling is gemaakt door een onderzoeksgroep van de Graduate School of Science, Technology and Innovation/Research Centre for Membrane and Film Technology van de Kobe University (Associate Professor NAKAGAWA Keizo, Professor YOSHIOKA Tomohisa en Professor MATSUYAMA Hideto) in samenwerking met Professor TACHIKAWA Takashi van Kobe University Molecular Photoscience Research Center, universitair hoofddocent Chechia Hu van de National Taiwan University of Science & Technology en professor Shik Chi Edman Tsang van de universiteit van Oxford.

De resultaten werden voor het eerst gepubliceerd in de Tijdschrift voor chemische technologie op 7 april 2022.

Adequate toegang tot water in veel regio’s van de wereld wordt een steeds groter probleem in het licht van de wereldwijde klimaatverandering en de sterke bevolkingsgroei en economische groei in ontwikkelingslanden. Er is gemeld dat twee derde van de wereldbevolking tegen 2025 te maken zal hebben met watertekorten. Om deze ernstige watertekorten te voorkomen, moeten de wijdverbreide toepassing van waterrecycling- en zuiveringstechnologieën, evenals efficiënt gebruik van waterproductietechnologieën (bijv. ontzilting van zeewater), zijn cruciaal.

De membraanfiltratiemethode wordt momenteel toegepast in 900 waterzuiveringsinstallaties omdat het continu en stabiel water van goede kwaliteit levert. Er is echter het probleem van membraanvervuiling waarbij het membraan, dat verontreinigingen uit het water scheidt en verwijdert, verstopt raakt. Wanneer membraanvervuiling optreedt, is het niet langer mogelijk om de benodigde hoeveelheid behandeld water te verkrijgen. Daarom is het noodzakelijk om het membraan te wassen of te vervangen. Om dit probleem aan te pakken is er veel onderzoek gedaan naar verschillende methoden om aangroei te voorkomen, maar een afdoende oplossing is nog niet gevonden.

Er is een methode voorgesteld die minder energie kost en een lage milieu-impact heeft. Dit omvat het inbrengen van een fotokatalytisch materiaal (zoals titania) in het membraan en het verwijderen van verontreinigende stoffen via fotokatalyse. Een dergelijk membraan moet echter niet alleen water kunnen behandelen, maar ook een reactievermogen op zichtbaar licht en een hoge fotokatalytische activiteit vertonen. Dit vereist dat de ontwerper het ontwerp van het membraan vanuit meerdere perspectieven bekijkt, inclusief het materiaal en de structuur van het membraan.

Deze onderzoeksgroep ontwikkelde eerder een nanofiltratiemembraan, dat werkt door gebruik te maken van 2D-kanalen tussen de lagen nanosheets. Ze ontwikkelden dit membraan door niobaat nanosheets (een soort metaaloxide nanosheet, waarbij elk vel ongeveer een nanometer dik en een paar honderd nanometer breed is) op een poreus ondersteunend membraan te lamineren, dat de 2D-kanalen tussen de nanosheets creëerde.

In deze studie ontdekten ze dat het toevoegen van koolstofnitride nanosheets (die zichtbaar licht reageren) aan het niobaat nanosheet-gelaagde membraan gaf het membraan verbeterde waterdoorlatendheid terwijl de fotokatalytische activiteit sterk toenam. Bovendien hebben de fotokatalytische eigenschappen van het membraan het probleem van de verminderde permeantie van het membraan als gevolg van vervuiling volledig verholpen.

Met nanoplaat gelamineerde membranen kunnen worden gevormd door eenvoudige vacuümfiltratie van nanoplaatmaterialen (colloïdale oplossingen) op polymeerondersteuningsmembranen. In deze studie produceerde de onderzoeksgroep een ultradun nanosheet-gelamineerd membraan van ongeveer 100 nanometer dik (Figuur 1a). Röntgendiffractie- en molecuulgewichtfractioneringsmetingen onthulden dat het introduceren van koolstofnitride-nanobladen in een met niobaat nanoblad gelamineerd membraan de diameter van nanokanalen tussen de lagen zou kunnen regelen.

In termen van membraanfunctionaliteit is het gelamineerde nanofiltratiemembraan met een verhouding van 74:25 van niobaat (HNB₃O₈) nanosheet naar koolstofnitride (gC₃N₄) nanosheet behield zijn scheidingsprestaties terwijl het een 8-voudige toename van de waterdoorlatendheid aantoonde (Figuur 1b). In termen van fotokatalytische prestaties zorgde de integratie van koolstofnitride-nanobladen ervoor dat zichtbaar licht werd geabsorbeerd. Bovendien verbeterde deze combinatie van nanosheets het vermogen van het membraan om kationische kleurstoffen (rhodamine B) door foto’s af te breken aanzienlijk (Figuur 1c).

Wanneer het ontwikkelde composietmembraan wordt gebruikt als scheidingsmembraan, geven de niobaat nanosheets het gelamineerde membraan zijn structuur, terwijl het koolstofnitride tussen deze lagen wordt ingebracht en als afstandhouder fungeert. Dientengevolge zetten de kanalen in het gelamineerde membraan uit, waardoor de snelheid van waterpermeatie aanzienlijk toeneemt (linkerkant van figuur 2a). Door de kanaalstructuur op deze manier te beheersen, kan 90% van een kleurstof (met een molecuulgewicht van ongeveer 1000) van het water worden gescheiden.

De fotokatalytische functionaliteit van het membraan is als volgt: de koolstofnitride nanosheets functioneren als fotokatalysatoren die zichtbaar licht absorberen en de niobaat nanosheets fungeren als katalytische promotors. Bovendien onthulde de onderzoeksgroep dat een juiste beheersing van de bandstructuur de elektronen in staat stelde efficiënt te bewegen, wat resulteerde in een dramatische toename van de fotokatalytische activiteit (rechterkant van figuur 2a). Op basis van deze resultaten pasten de onderzoekers het membraan toe op waterzuivering en voerden ze een membraanvervuilingsexperiment uit met Bovine Serum Albumin (BSA) als vervuiling. BSA-vervuiling verminderde de waterpermeatiesnelheid van het membraan tot 1/5 van zijn normale prestatie. De onderzoekers slaagden er echter in om de doorlaatbaarheid volledig te herstellen door het composiet nanosheet-membraan te bestralen (Figuur 2b).

Door verschillende soorten nanosheets met elkaar te verweven om 2D-nanokanalen te vormen, hebben de onderzoekers met succes een membraan ontwikkeld dat zowel een uitstekende waterdoorlatendheid als fotokatalytische activiteit vertoont. Verwacht wordt dat verdere verbeteringen kunnen worden aangebracht aan de membraanfunctionaliteit en fotokatalytische actie door het type nanoblad te veranderen om de vorming van 2D-nanokanalen en de bandstructuur nauwkeuriger te regelen. Vervolgens hopen de onderzoekers het membraanoppervlak te vergroten en het fotokatalytische proces te ontwikkelen, gericht op industriële en praktische toepassing.