Une membrane de dessalement stratifiée avec des nanofeuilles comportant des nanocanaux 2D – Technoguide

Le groupe de recherche du professeur MATSUYAMA Hideto au Centre de recherche pour la technologie des membranes et des films de l’Université de Kobe a développé avec succès une nouvelle membrane de dessalement. Ils y sont parvenus en stratifiant un matériau de carbone bidimensionnel (* 1) sur la surface d’une membrane polymère poreuse (* 2).

Les membranes de dessalement (* 3) sont utilisées pour produire de l’eau douce à partir de l’eau de mer. Afin de résoudre le problème mondial de l’insuffisance des ressources en eau douce, les chercheurs s’efforcent de développer des membranes de dessalement qui non seulement sont imprégnées d’eau plus rapidement que celles actuellement utilisées, mais éliminent également le sel efficacement, de sorte que des systèmes de dessalement plus efficaces et à faible consommation d’énergie puissent être mis en œuvre.

Dans cette étude de recherche, des nanofeuilles d’oxyde de graphène (* 4), qui sont un type de nanomatériau bidimensionnel, ont été empilées sur la surface d’une membrane poreuse après avoir subi un traitement de réduction chimique (* 5), permettant une couche de membrane de dessalement de environ 50 nanomètres (nm) à développer (un nanomètre est 1 / 20000e de millimètre). La membrane développée a le potentiel d’effectuer un dessalement très efficace car il est possible de contrôler les espaces entre ses nanofeuilles et la charge sur les surfaces des nanofeuilles. On espère que cette recherche contribuera à l’application et à la mise en œuvre de membranes de dessalement futuristes.

Ces résultats de recherche ont été publiés dans Journal of Materials Chemistry A le 18 novembre 2020.

Points principaux

Les chercheurs ont développé avec succès une nouvelle membrane de dessalement à l’aide de nanofeuillets bidimensionnels. Le traitement de réduction chimique des nanofeuilles d’oxyde de graphène a renforcé l’empilement π-π (* 6) entre les nanofeuillets. L’empilement π-π a amélioré la stabilité de la membrane stratifiée en nanofeuille et a permis de manipuler l’espace intercouche entre chaque nanofeuille. Des molécules planes à base de porphyrine (* 7) avec des groupes chargés et un système π conjugué (* 8) ont été introduites entre les nanofeuilles. Cela a entraîné une répulsion électrostatique (* 9) entre l’oxyde de graphène et la charge négative du composé planaire, permettant aux chercheurs de contrôler le mouvement des anions (* 10) dans les nanocanaux (* 11). La membrane laminée en nanofeuille développée grâce à cette recherche a pu rejeter la perméation du chlorure de sodium (NaCl) à 95%. À l’avenir, ces résultats de recherche peuvent contribuer à la création de nouvelles technologies membranaires haute performance pour le dessalement

Fond de recherche

97,5% de l’eau sur Terre est de l’eau de mer et seulement 2,5% est de l’eau douce. À l’intérieur de ce pourcentage, à peine 0,01% des ressources en eau douce peuvent être facilement traitées pour être utilisées par l’humanité. Cependant, la population humaine continue d’augmenter chaque année. Par conséquent, il a été prédit que dans plusieurs années, les deux tiers de la population mondiale n’auront pas un accès insuffisant à l’eau douce. Une pénurie mondiale d’eau est l’un des problèmes les plus graves auxquels l’humanité est confrontée. Par conséquent, les technologies qui peuvent obtenir les ressources nécessaires en convertissant l’abondante eau de mer de la Terre en eau douce sont primordiales.

Des méthodes d’évaporation ont été utilisées pour convertir l’eau de mer en eau douce, mais elles nécessitent de grandes quantités d’énergie pour évaporer l’eau de mer et éliminer le sel (dessalement). D’autre part, les méthodes de séparation par membrane fournissent une alternative à faible énergie; ils permettent de produire de l’eau douce en filtrant l’eau de mer et en éliminant le sel. Des méthodes de production d’eau douce à partir d’eau de mer utilisant des membranes ont été mises en œuvre, mais avec les membranes de dessalement développées jusqu’à présent, il y a toujours un compromis entre la vitesse de perméation et la capacité de dessalement. Par conséquent, il est essentiel de développer une membrane de dessalement révolutionnaire à partir de nouveaux matériaux afin de résoudre ce compromis et de permettre de dessaler l’eau de mer à un taux d’efficacité plus élevé.

Méthodologie de recherche

Cette équipe de recherche a développé une membrane de dessalement hautement fonctionnelle en stratifiant la membrane avec un matériau de carbone bidimensionnel de l’épaisseur approximative d’un atome de carbone. Ces matériaux de carbone 2D étaient des nanofeuilles d’oxyde de graphène qui ont été chimiquement réduites pour leur donner une interaction π-π renforcée.

En appliquant des revêtements en nanofeuille avec intercalation de molécules planes à base de porphyrine (avec des groupes chargés et un système π conjugué) à la surface d’une membrane poreuse, le groupe de recherche a pu construire une couche de membrane de dessalement ultra-mince d’environ 50 nm d’épaisseur.

Cette couche a démontré une fonctionnalité de blocage d’ions élevée car la taille des nanocanaux (les espaces entre chaque nanofeuille) pouvait être contrôlée à moins de 1 nm. En outre, les espaces entre les nanocanaux dans la membrane stratifiée en nanofeuille ont démontré une stabilité à l’eau continue en raison du fort empilement π-π entre les feuilles, ce qui suggère la possibilité qu’il pourrait être utilisé pendant une longue période de temps. De plus, il n’y a pas eu de perte de fonctionnalité de dessalement, même sous une pression de 20 bars.

Les chercheurs ont révélé que le transfert d’ions à l’intérieur de la membrane laminée à nanofeuille développée était effectivement supprimé par répulsion électrostatique sur la surface de la nanoparticule. Cette répulsion électrostatique était très efficace lorsque la largeur des nanocanaux était correctement contrôlée. Pour le matériau en feuille nanométrique utilisé dans cette étude, la largeur des nanocanaux pourrait être limitée en contrôlant le processus de réduction chimique et le rapport d’intercalation des molécules planes à base de porphyrine.

Le NaCl est le composant principal des ions d’eau de mer et il est particulièrement difficile de l’empêcher de pénétrer la membrane. Cependant, une membrane laminée en nanofeuille produite dans des conditions optimales a pu bloquer environ 95% de NaCl.

Développements ultérieurs

La membrane stratifiée en nanofeuille 2D développée grâce à cette recherche a été produite en régulant la réduction de la feuille de graphène oxydé et le rapport d’intercalation des molécules planaires, ce qui a permis à la fois de contrôler l’espace intercouche entre les nanofeuilles et l’effet de répulsion électrostatique. En plus des membranes de dessalement, cette technique peut également être appliquée au développement de diverses membranes de séparation d’électrolytes.

Les technologies de dessalement à faible consommation d’énergie utilisant des membranes de séparation sont indispensables pour réduire les pénuries d’eau. On espère que la technologie contribuera à résoudre le problème de l’assèchement des ressources en eau dans le monde. Ensuite, l’équipe de recherche tentera d’améliorer encore la haute fonctionnalité de la membrane développée, afin qu’elle puisse être mise en œuvre.

Glossaire

Matériau de carbone bidimensionnel: une seule couche d’atomes de carbone liés de manière covalente en deux dimensions. En particulier, le graphène est une seule couche d’atomes de carbone avec des liaisons covalentes stables disposées dans un réseau en nid d’abeilles. Membrane polymère poreuse: une membrane avec des pores ultrafines entre quelques nanomètres et 100 nanomètres. Dessalement: Traiter l’eau de mer pour produire de l’eau douce. Oxyde de graphène: matériau carboné préparé par oxygénation de graphène. Lorsque le graphène est oxygéné, il est décoré de divers groupes fonctionnels oxygénés comprenant des groupes époxydes, carboxyle, carbonyle et hydroxyle. Traitement de réduction chimique: Un processus par lequel un agent réducteur est utilisé pour réduire un oxyde. Dans cette recherche, l’acide L-ascorbique et l’ammoniac ont été utilisés pour réduire l’oxyde de graphène. Empilement π- π (empilement Pi-Pi): Interactions qui ont lieu entre les cycles aromatiques dans les composés chimiques organiques. Composé plan: Un composé avec une structure bidimensionnelle (plane). Système π (Pi) conjugué: terme général pour une structure moléculaire où les électrons π formés par la double liaison ne sont pas confinés à une partie d’une molécule mais sont largement distribués. Cela se produit lorsqu’une double liaison se lie à une seule liaison. Répulsion électrostatique: La répulsion entre un ion enroulé autour d’un électron correspondant et le groupe fonctionnel ionique force l’ion et le groupe fonctionnel ionique à part. Anion: un ion qui a gagné un ou plusieurs électrons supplémentaires, ce qui le rend chargé négativement. Nanochannel: Un canal avec des espaces de taille nanométrique.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université de Kobe. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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