Bezpečnost vody je jednou z hlavních výzev dnešní společnosti, az tohoto důvodu je nutné vyvinout účinné a energeticky úsporné technologie čištění vody.
Nanofiltrace (NF) je nová tlakově řízená membránová technologie, která odstraňuje multivalentní ionty a malé molekulární organické látky s nízkou spotřebou energie a je široce používána při výrobě pitné vody, komunálních vod a čištění průmyslových odpadních vod.
Polyamidové nanofiltrační membrány jsou od konce 70. let předním produktem na trhu. Jejich tenkovrstvá kompozitní struktura se skládá z porézního nosiče a dvourozměrné (2D) polyamidové vrstvy, která má vynikající permeační selektivitu. Navzdory určitému pokroku dosaženému díky zlepšení designu monomerů, nanokompozitů a výrobních procesů je však propustnost vody u polyamidových membrán stále relativně nízká, což omezuje jejich širší průmyslové aplikace.
V posledních letech nové designy, jako jsou Turingovy struktury v nanoměřítku a zvrásněné povrchy, rozšířily oblast filtrace, ale v podstatě jde o evoluci 2D membrán. V budoucnu je nutné vyvinout nové převratné struktury pro další zlepšení výkonu separace a zároveň hluboce porozumět vztahu mezi zpracováním a strukturou, abychom mohli poskytnout inovativní řešení v oblasti čištění vody.
Wu Chunrui, výzkumník z Polytechnické univerzity v Tianjinu, zde ohlásil přípravu velkoplošné polyamidové membrány se smíšenými rozměry rychlým samovolným sestavením dvou malých molekul na rozhraní olej-voda při pokojové teplotě.
Membrána má unikátní hierarchickou strukturu sestávající z jednorozměrných nanotrubic narostlých na povrchu dvourozměrné nanomembrány. Tato inovativní struktura výrazně zvyšuje efektivní plochu transportu vody na jednotku projektované plochy, díky čemuž je výkon membrány oddělující vodu a sůl mnohem lepší než u nejpokročilejších aktuálně dostupných membránových materiálů.
Prostřednictvím kontrolních experimentů v kombinaci se simulacemi molekulární dynamiky autoři zjistili, že dvě molekuly monomeru se na začátku reakce spontánně organizovaly do dvourozměrné sítě nanopórů a růst nanotrubic směrem nahoru byl řízen kapilárním působením v nanopórech.
Obrázek: Schematický diagram směsné polyamidové membrány se strukturou NoN ve srovnání vedle sebe s rovinnou dvourozměrnou polyamidovou membránou
Tato studie poskytuje cenné poznatky o tom, jak mezifázové fyzikální a chemické interakce samovolně sestavují molekuly do rozsáhlých komplexních hierarchických nanostruktur za okolních podmínek, a otevírá nové cesty pro vývoj škálovatelných smíšených dimenzionálních membrán pro čištění vody. Související výsledky byly publikovány v Nature Water pod názvem Interfaciální samoorganizace velkoplošných směsných dimenzionálních polyamidových membrán pro rychlou vodnou nanofiltraci, přičemž Si-Hua Liu jako první autor.
Shrnutí: Zde jsme úspěšně použili přístup interfaciální polykondenzace k dosažení velkoobjemové výroby polyamidových membrán smíšených rozměrů v jednom kroku. Jedinečná architektura NoN připravuje cestu pro energeticky účinné membrány NF, které vykazují vynikající propustnost pro vodu a selektivitu vody a soli. Tento výrobní proces lze snadno rozšířit pomocí nanášení roll-to-roll a má slibné praktické aplikace při výrobě pitné vody a také při čištění komunálních a průmyslových odpadních vod. Teoretické poznatky získané z této práce odhalují složitost mezifázové polykondenzace, zejména při využívání souhry mezi fyzikálními a chemickými interakcemi na rozhraní. Autoři se domnívají, že tato zjištění poskytují inspiraci pro vývoj pokročilých technologií nanofabrikace pro bezpečnost vody.