Sun04112021

Last update11:50:42 PM GMT

Màng lọc chức năng cao được phát triển để sản xuất nước ngọt từ nước biển

There are no translations available.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Matsuyama Hideto tại Trung tâm Nghiên cứu Màng và Công nghệ Phim của Đại học Kobe đã phát triển thành công một loại màng khử muối mới, bằng cách cán vật liệu carbon hai chiều (1) lên bề mặt của màng polyme xốp (2) .

Màng khử mặn được sử dụng để sản xuất nước ngọt từ nước biển. Để giải quyết vấn đề thiếu hụt nguồn nước ngọt trên toàn thế giới, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực phát triển các màng khử muối không chỉ thấm nước nhanh hơn màng hiện đang sử dụng mà còn loại bỏ muối hiệu quả và thực hiện các hệ thống khử muối năng lượng thấp hơn, hiệu quả hơn.

Trong nghiên cứu này, các tấm nano graphene oxit (3) là một loại vật liệu nano hai chiều, được xếp chồng lên bề mặt của một màng xốp sau khi được xử lý khử hóa học (4) , tạo điều kiện cho lớp màng khử muối khoảng 50 nanomet (nm) được phát triển. Màng được phát triển có khả năng thực hiện quá trình khử muối hiệu quả cao vì nó có thể kiểm soát khoảng trống giữa các tấm nano và điện tích trên bề mặt của tấm nano. Hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ đóng góp vào việc ứng dụng và thực hiện các màng khử mặn trong tương lai. Các kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A vào ngày 18 tháng 11 năm 2020.

Cơ sở nghiên cứu

97,5% lượng nước trên Trái đất là nước biển và chỉ 2,5% là nước ngọt. Trong đó, chỉ 0,01% nguồn nước ngọt có thể được xử lý dễ dàng để con người sử dụng. Tuy nhiên, với tốc độ dân số tiếp tục tăng hàng năm, người ta dự đoán rằng trong vài năm tới, 2/3 dân số thế giới sẽ không được tiếp cận đủ với nước ngọt. Thiếu nước trên toàn thế giới là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất mà nhân loại phải đối mặt. Do đó, việc áp dụng các công nghệ để chuyển đổi nguồn nước biển dồi dào thành nước ngọt là điều rất quan trọng và cần thiết.

Phương pháp bay hơi đã được sử dụng để chuyển nước biển thành nước ngọt, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi một lượng lớn năng lượng để làm bay hơi nước biển và loại bỏ muối (khử muối). Mặt khác, các phương pháp tách màng chỉ sử dụng năng lượng thấp, nước ngọt được sản xuất bằng cách lọc nước ra khỏi nước biển và loại bỏ muối. Hiện tại, các phương pháp sản xuất nước ngọt từ nước biển sử dụng màng đã có nhiều nơi thực hiện, nhưng với các màng khử mặn được phát triển cho đến nay thì tốc độ thẩm thấu và khả năng khử mặn luôn tỷ lệ với nhau. Do đó, điều quan trọng là phải phát triển một màng khử muối mang tính cách mạng từ các vật liệu mới để giúp cho nước biển có thể khử muối với tốc độ hiệu quả cao hơn.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm nghiên cứu này đã phát triển một màng khử mặn chức năng cao bằng cách cán màng với vật liệu carbon hai chiều có độ dày xấp xỉ một nguyên tử carbon. Các vật liệu carbon 2D này là các tấm nano oxit graphene đã được khử về mặt hóa học để tạo hệ thống liên kết π-π(6) được tăng cường. Đồng thời áp dụng các lớp phủ nano với sự xen kẽ của các phân tử phẳng(5) dựa trên porphyrin (với các nhóm tích điện và hệ thống liên hợp π) lên bề mặt của màng xốp, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một lớp màng khử muối siêu mỏng dày khoảng 50nm. Lớp này thể hiện chức năng ngăn chặn ion cao vì kích thước của các kênh nano(8) (khoảng trống giữa mỗi tấm nano) chỉ khoảng 1nm. Hơn nữa, do sự xếp chồng π-π mạnh mẽ giữa các tấm nano trong màng nhiều lớp nano thì các khoảng trống này luôn thể hiện tính liên tục và ổn định, cho thấy khả năng nó có thể được sử dụng trong một thời gian dài. Ngoài ra, không bị mất chức năng khử muối ngay cả khi ở áp suất 20 bar.

Các nhà nghiên cứu tiết lộ rằng sự chuyển giao của các ion bên trong màng nhiều lớp nano được phát triển đã bị triệt tiêu hiệu quả bởi lực đẩy tĩnh điện(7) trên bề mặt tấm nano. Lực đẩy tĩnh điện này có hiệu quả cao khi độ rộng của các kênh nano được kiểm soát thích hợp. Đối với vật liệu tấm nano được sử dụng trong nghiên cứu này, chiều rộng của các kênh nano có thể được giới hạn bằng cách kiểm soát quá trình khử hóa học và tỷ lệ xen phủ của các phân tử phẳng dựa trên porphyrin.

NaCl là thành phần chính của các ion nước biển và dễ dàng thấm qua các màng lọc. Tuy nhiên, màng nhiều lớp nano được tạo ra trong điều kiện tối ưu có thể ngăn chặn được khoảng 95% NaCl.

Sự phát triển xa hơn

Màng nhiều lớp nano 2D được phát triển thông qua nghiên cứu này được tạo ra bằng cách điều chỉnh sự khử tấm graphene bị oxy hóa và tỷ lệ xen kẽ giữa các phân tử phẳng, do đó cho phép kiểm soát cả không gian lớp xen giữa các tấm nano và hiệu ứng đẩy tĩnh điện. Ngoài màng khử muối, kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng để phát triển các màng tách chất điện ly khác nhau.

Công nghệ khử muối năng lượng thấp sử dụng màng tách là không thể thiếu để giảm tình trạng thiếu nước. Người ta hy vọng rằng công nghệ này sẽ góp phần giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn nước trên toàn thế giới. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ cố gắng cải thiện chức năng của màng cao hơn nữa để phát triển hiệu quả trên thực tế.

Chú giải

(1) Vật liệu carbon hai chiều: Một lớp đơn của các nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị theo hai chiều. Cụ thể, graphene là một lớp đơn nguyên tử cacbon với các liên kết cộng hóa trị bền vững được sắp xếp trong một mạng lưới tổ ong.

(2) Màng polyme xốp: một màng có các lỗ siêu mịn có kích thước từ vài nanomet đến 100 nanomet.

(3) Graphene oxide: Một vật liệu carbon được điều chế bằng cách oxy hóa graphene. Khi graphene được oxy hóa, nó được cấu tạo bằng các nhóm chức oxy hóa khác nhau bao gồm các nhóm epoxit, cacboxyl, cacbonyl và hydroxyl.

(4 )Xử lý khử hóa học: Một quá trình mà chất khử được sử dụng để khử một oxit. Trong nghiên cứu này, axit L- ascorbic và amoniac đã được sử dụng để khử oxit graphene.

(5) Phân tử phẳng: Một phân tử có cấu trúc hai chiều (phẳng).

(6) Hệ thống liên kết π - π (Pi): Thuật ngữ chung cho cấu trúc phân tử trong đó các điện tử π được tạo thành bởi liên kết đôi không bị giới hạn trong một phần của phân tử mà được phân bố rộng rãi. Điều này xảy ra khi một liên kết đôi được gắn vào một liên kết đơn.

(7) Lực đẩy tĩnh điện: Lực đẩy giữa một ion bao quanh một điện tử phù hợp và nhóm chức ion buộc ion và nhóm chức ion tách rời nhau.

(8) Kênh nano: Một kênh có các khoảng trống kích thước nanomet trong đó.

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210122102022.htm


Newer news items:
Older news items: