客观日本

神户大学开发出从海水提取淡水的纳米片层积脱盐膜

2021年01月27日 化学材料

本文根据神户大学成果发布编译整理而成

神户大学先端膜工学研究中心的松山秀人教授等人组成的研究团队通过在高分子多孔膜的表面层积二维碳材料,成功开发出了新的脱盐膜。

脱盐膜是一种可以利用海水提取淡水的材料。为解决全球范围的水资源短缺,需要开发与目前使用的脱盐膜相比透水速度更快、脱盐性能更优异的脱盐膜,以实现更高效节能的海水淡化。

本研究通过对名为氧化石墨烯纳米片的二维纳米材料进行化学还原处理并层积到多孔膜上,开发出了厚度约为50纳米(1毫米的1/20000)脱盐膜。新开发的脱盐膜控制了纳米片之间的间隔和纳米片表面的电荷,可进行高性能的脱盐处理。将来有望作为新的脱盐膜实现实用化和应用。

研究背景

地球上的水有97.5%是海水,淡水仅占2.5%。其中,经过简单的处理后可供人类利用的淡水仅占地球水资源的0.01%。而人口一直在逐年增加。因此有预测认为,数年后全球2/3的人口将面临缺水问题。这种全球范围的缺水将成为人类面临的最严重问题之一。所以,通过对地球上大量存在的海水进行淡化来获得水资源的技术非常重要。

不过,以往的海水淡化法——蒸馏法是通过蒸发海水来去除盐分,会消耗大量的能源。而膜分离法通过仅从海水中过滤水来去除盐分,是一种节能的海水淡化法。使用过滤膜的海水淡化法已经实现实用化,但脱盐膜的透水速度与盐分去除性能一直属于此消彼长的关系。要想打破这种关系,实现更高效率的海水淡化,必须开发采用新材料的创新脱盐膜。

研究内容

研究团队通过层积厚度与碳原子相当的二维碳材料,开发出了高性能的脱盐膜。使用的二维材料是通过进行化学还原处理实现π电子共轭体系的氧化石墨烯纳米片。通过将该纳米片与同时具备带电官能团和π电子共轭体系的卟啉源平面结构分子一起层积到多孔膜上,形成了约50纳米厚的超薄脱盐功能层(图1)。

title

图1:新开发的纳米片层积膜的截面电子显微镜照片

形成的超薄脱盐功能层将纳米片之间的间隔(纳米通道)控制在1纳米以下,具有较高的离子阻隔性能。另外,在纳米片之间的π-π相互作用下,具备超薄脱盐功能层的纳米片层积膜在水中也稳定地保持纳米通道间隔,因此可长时间使用。此外,即使在20bar的压力下,也不会影响其优异的脱盐性能。

研究发现,纳米片表面的静电斥力有效抑制了新开发的纳米片层积膜内的离子运输(图2)。这种静电斥力在纳米通道的宽度得到最佳控制时会发挥较大效果。该研究团队采用的纳米片材料可通过控制化学还原处理的程度和卟啉源平面分子的导入率来控制纳米通道的宽度。因此,以最佳条件制作的纳米片层积膜即使针对海水中的离子的主要成分、尤其难以阻止其透过的NaCl,也能实现非常优异的阻隔性能(约95%)。

title

图2:经由纳米通道透过的水与难以进入纳米通道、不容易透过的离子的模式图

论文信息
题目:Nanochannel-confined charge repulsion of ions in a reduced graphene oxide membrane
期刊:Journal of Materials Chemistry A
DOI:10.1039/D0TA08881A

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

专题网页