Membrana nanotubului - Nanotube membrane
| O parte dintr- o serie de articole despre |
| Nanotehnologie |
|---|
| Impact și aplicații |
| Nanomateriale |
| Auto-asamblare moleculară |
| Nanoelectronică |
| Nanometrologie |
| Nanotehnologia moleculară |
Membranele nanotubului sunt fie un nanotub unic, cu capăt deschis (CNT), fie un film compus dintr-o matrice de nanotuburi care sunt orientate perpendicular pe suprafața unei matrice impermeabile de film ca celulele unui fagure de miere . „Impermeabil” este esențial aici pentru a distinge membrana nanotubică de membranele poroase tradiționale, bine cunoscute. Fluidele și moleculele de gaze pot trece prin membrană în masă, dar numai prin nanotuburi. De exemplu, moleculele de apă formează legături de hidrogen ordonate care acționează ca niște lanțuri pe măsură ce trec prin CNT. Acest lucru are ca rezultat o interfață aproape fără frecare sau netedă atomic între nanotuburi și apă, care se referă la o „lungime de alunecare” a interfeței hidrofobe. Proprietăți precum lungimea alunecării care descriu comportamentul non-continuum al apei din pereții porilor sunt ignorate în sistemele hidrodinamice simple și absente din ecuația Hagen – Poiseuille . Simulările dinamice moleculare caracterizează mai bine fluxul moleculelor de apă prin nanotuburile de carbon cu o formă variată a ecuației Hagen-Poiseuille care ia în considerare lungimea alunecării.
Transportul particulelor de polistiren (60 și 100 nm diametru) prin membrane cu un singur tub (150 nm) a fost raportat în 2000. La scurt timp după aceea, au fost fabricate și studiate membranele ansamblului formate din nanotuburi de carbon cu pereți multipli și cu pereți dubli. S-a arătat că apa poate trece prin miezurile nanotubului grafitic ale membranei cu până la cinci magnitudini mai mari decât ar prezice dinamica clasică a fluidelor, prin ecuația Hagen-Poiseuille, atât pentru tuburile cu pereți multipli (diametrul interior 7 nm), cât și pentru tuburile cu pereți dubli (diametru interior <2 nm).
În experimentele lui Holt și colab. , apa pură ( vâscozitate ~ 1,0020 cP ) a fost transportată prin trei probe de nanotuburi de carbon cu pereți dubli într-o matrice de nitrură de siliciu cu fluxuri și grosimi ale membranei variabile. S-a constatat că aceste membrane au un debit îmbunătățit, care a fost cu mai mult de trei ordine de mărime mai rapid decât cel așteptat pentru un debit hidrodinamic antiderapant, calculat prin ecuația Hagen-Poiseuille. Aceste rezultate pentru nanotuburi cu porii de 1-2 nm diametru au corespuns la aproximativ 10-40 molecule de apă per nm 2 per nanosecundă. Într-un experiment similar al lui Mainak Majumder și colab. , nanotuburile de aproximativ 7 nm în diametru în polistiren solid au fost testate pentru viteza lor de fluid. Aceste rezultate au arătat în mod similar că nanotuburile au planuri lungi de alunecare, iar debitele s-au dovedit a fi cu patru până la cinci ordine de mărime mai rapide decât previziunile convenționale ale fluxului de fluid.
S-a demonstrat în plus că fluxul de apă prin membranele nanotuburilor de carbon (fără matrice de umplutură, astfel fluxul pe suprafața exterioară a CNT-urilor) poate fi controlat prin aplicarea curentului electric. Printre numeroasele utilizări potențiale pe care membranele nanotubului le-ar putea folosi într-o zi este desalinizarea apei.
Mitra și colab. ( 8-14 ) a fost pionierul unei noi arhitecturi în producerea membranei bazate pe CNT. Această metodă creează o membrană superioară prin imobilizarea nanotuburilor de carbon în pori și pe suprafața membranei. În lucrarea lor, CNT-urile sunt imobilizate în membrane polimerice sau ceramice, ducând la dezvoltarea unei structuri unice a membranei denumită membrană imobilizată cu nanotuburi de carbon (CNIM). Acest lucru a fost realizat prin imobilizarea CNT dintr-o formă dispersată. Astfel de membrane sunt robuste, stabile termic și au o selectivitate ridicată. Scopul aici este de a imobiliza CNT-urile astfel încât suprafețele lor să fie libere să interacționeze direct cu solutul. Membrana produsă prin această metodă a arătat îmbunătățiri dramatice ale fluxului și selectivității în diferite aplicații, cum ar fi desalinizarea apei de mare ( 8,9 ), extracția membranei ( 10 ), purificarea apei prin îndepărtarea organelor volatile din apă ( 11 ) și pentru extragerea membranei la scară micro pentru analiza poluanților apei ( 12-14 ).
În 2016, au fost introduse pentru prima dată membranele CNT la scară comercială de format mare. Inițial aceste membrane au fost produse într-un format de foaie plană similar cu cele realizate anterior în laboratoarele de cercetare, deși la o scară mult mai mare. În 2017, compania a anunțat dezvoltarea unei membrane CNT cu membrană din fibră goală, cu nanotuburi orientate radial perpendicular pe suprafața membranei, lucru care nu se realizase niciodată.
În toate cazurile, CNT-urile servesc ca pori unici care sporesc transportul de masă prin membrană, selectând în funcție de mărime sau afinitate chimică. De exemplu, în cazul desalinizării, CNT-urile sporesc transportul pentru apă în timp ce blochează sau reduc transmisia sărurilor, pe baza mărimii ionilor de sare hidrați. În cazul îndepărtării substanțelor organice, cum ar fi purificarea apei, pervaporarea și extracția, membranele CNT pătrund preferențial substanțele organice, permițând separări care anterior au fost posibile doar folosind metode precum distilarea. Un exemplu de separare organică / apă este separarea etanolului de apă, o aplicație în care membranele CNT prezintă selectivitate aproape ideală pentru transportul etanolului.
Măsurarea nanoporilor în membrana gravată pe cale
De la descoperirea tehnologiei gravate pe cale la sfârșitul anilor 1960, membranele filtrante cu diametrul necesar au găsit o utilizare potențială în diverse domenii, inclusiv siguranța alimentelor, poluarea mediului, biologie, medicină, celule de combustibil și chimie. Aceste membrane gravate pe cale sunt de obicei realizate în membrană polimerică prin procedura de gravare pe cale, în timpul căreia membrana polimerică este mai întâi iradiată de un fascicul de ioni grei pentru a forma urme și apoi se creează pori cilindrici sau pori asimetrici de-a lungul căii după gravarea umedă.
La fel de importantă ca fabricarea membranelor filtrante este caracterizarea și măsurarea porilor din membrană. Până în prezent, au fost dezvoltate câteva metode, care pot fi clasificate în următoarele categorii în funcție de mecanismele fizice pe care le-au exploatat: Metode de imagistică precum microscopia electronică cu scanare (SEM), microscopia electronică de transmisie (TEM), microscopia cu forță atomică (AFM) ); transporturi de fluide, cum ar fi punctul cu bulă și transportul de gaze adsorbții fluide precum adsorbția / desorbția azotului (BEH), porozimetria mercurului, echilibrul lichid-vapori (BJH), echilibrul gaz-lichid (permoporometrie) și echilibrul lichid-solid (termoporometrie); conductanța electronică; spectroscopie cu ultrasunete; 19 Transport molecular.
Mai recent, a fost propusă utilizarea tehnicii de transmitere a luminii ca metodă de măsurare a dimensiunii nanoporilor.
Vezi si
Referințe
8.: „Distilarea cu membrană îmbunătățită a nanotuburilor de carbon din generarea simultană de apă pură și concentrarea deșeurilor farmaceutice”. Ken Gethard, Ornthida Sae-Khow, Somenath Mitra. 90, 239-245,. Tehnologie de separare și purificare. 2012
9.:::" Desalinizarea apei folosind distilarea membranei îmbunătățită cu nanotuburi de carbon ". Ken Gethard, Ornthida Sae-Khow, Somenath Mitra. Materiale și interfețe aplicate ACS. 2011, 3, 110-114.
10.::: „Extracția și concentrarea simultană în membranele din fibră goală imobilizate cu nanotuburi de carbon”. Ornthida Sae-Khow și Somenath Mitra. Anal. Chem. 2010, 82 (13), 5561-5567.
11.:::" Membranele din fibre goale compozite imobilizate din nanotuburi de carbon pentru îndepărtarea prin vaporizare a substanțelor organice volatile din apă "”. Ornthida Sae-Khow și Somenath Mitra. J. Phys. Chem. C. 2010, 114,16351-16356.
12.::: „Fabricarea și caracterizarea membranelor polimerice poroase imobilizate a nanotuburilor de carbon”. Ornthida Sae-Khow și Somenath Mitra. J. Mater. Chem., 2009, 19 (22), 3713-3718.
13. :: „Extracția cu membrană microscopică mediată cu nanotuburi de carbon”. K. Hylton, Y. Chen, S. Mitra, J. Chromatogr. A., 2008, 1211, 43-48.
14. :: „Membranele polare imobilizate cu nanotuburi de carbon pentru extracția îmbunătățită a analitelor polare”. Madhuleena. Bhadra, Somenath. Mitra. Analist. 2012, 137, 4464-4468.