Мембрана из нанотрубок
| Часть серии статей о |
| Нанотехнологии |
|---|
| Влияние и применение |
| Наноматериалы |
| Молекулярная самосборка |
| Наноэлектроника |
| Нанометрология |
| Молекулярная нанотехнология |
Мембраны из нанотрубок представляют собой либо одну нанотрубку с открытыми концами (УНТ), либо пленку, состоящую из массива нанотрубок, ориентированных перпендикулярно поверхности непроницаемой пленочной матрицы, подобно ячейкам сот . «Непроницаемость» здесь важна, чтобы отличить мембрану из нанотрубок от традиционных, хорошо известных пористых мембран. Молекулы жидкости и газа могут массово проходить через мембрану, но только через нанотрубки. Например, молекулы воды образуют упорядоченные водородные связи, которые действуют как цепочки при прохождении через УНТ. Это приводит к практически полному отсутствию трения или атомарно-гладкой границе раздела между нанотрубками и водой, что связано с «длиной скольжения» гидрофобной границы раздела. Такие свойства, как длина скольжения, которые описывают несплошное поведение воды внутри стенок пор, не учитываются в простых гидродинамических системах и отсутствуют в уравнении Хагена-Пуазейля . Молекулярно-динамическое моделирование лучше характеризует поток молекул воды через углеродные нанотрубки с помощью разнообразной формы уравнения Хагена-Пуазейля, которое учитывает длину скольжения. [1] [2]
О транспорте частиц полистирола (диаметром 60 и 100 нм) через однотрубчатые мембраны (150 нм) сообщалось в 2000 году. [3] Вскоре были изготовлены и исследованы ансамблевые мембраны, состоящие из многостенных и двустенных углеродных нанотрубок. [4] Было показано, что вода может проходить через ядра графитовых нанотрубок мембраны со скоростью до пяти величин, большей, чем предсказывает классическая гидродинамика с помощью уравнения Хагена-Пуазейля, как для многостенных трубок (внутренний диаметр 7 нм), так и для многостенных трубок (внутренний диаметр 7 нм). [5] и трубки с двойными стенками (внутренний диаметр <2 нм). [6]
В экспериментах Холта и др. , [6] ~1,0020 сП чистая вода ( вязкостью ) транспортировалась через три образца двустенных углеродных нанотрубок в матрице из нитрида кремния с различными мембранными потоками и толщинами. Было обнаружено, что эти мембраны обладают улучшенным потоком, который более чем на три порядка превышает ожидаемый для гидродинамического потока без проскальзывания, рассчитанный по уравнению Хагена-Пуазейля. Эти результаты для нанотрубок с диаметром пор 1–2 нм соответствовали примерно 10–40 молекулам воды на нм. 2 за наносекунду. В аналогичном эксперименте Mainak Majumder et al. , [5] нанотрубки диаметром около 7 нм в твердом полистироле были протестированы на скорость жидкости. Эти результаты аналогичным образом показали, что нанотрубки имеют длинные плоскости скольжения, а скорость потока оказалась на четыре-пять порядков выше, чем традиционные прогнозы потока жидкости.
Далее было продемонстрировано, что потоком воды через мембраны из углеродных нанотрубок (без матрицы наполнителя, то есть потоком на внешней поверхности УНТ) можно управлять путем применения электрического тока. [7] Среди многих потенциальных применений мембран из нанотрубок однажды может быть опреснение воды.
Митра и др. ( 8-14 ) впервые применил новую архитектуру в производстве мембран на основе УНТ. Этот метод создает превосходную мембрану путем иммобилизации углеродных нанотрубок в порах и на поверхности мембраны. В их работе УНТ иммобилизуются в полимерные или керамические мембраны, что приводит к разработке уникальной мембранной структуры, называемой мембраной с иммобилизованными углеродными нанотрубками (CNIM). Это было достигнуто путем иммобилизации УНТ из дисперсной формы. Такие мембраны прочны, термически стабильны и обладают высокой селективностью. Целью здесь является иммобилизация УНТ так, чтобы их поверхности могли напрямую взаимодействовать с растворенным веществом. Мембрана, изготовленная этим методом, продемонстрировала резкое увеличение потока и селективности в различных приложениях, таких как опреснение морской воды. 8,9 ), мембранная экстракция ( 10 ), очистка воды путем удаления из воды летучих органических веществ ( 11 ) и для микромасштабной мембранной экстракции для анализа загрязнителей воды ( 12-14 ).
В 2016 году впервые были представлены крупноформатные УНТ-мембраны коммерческого масштаба. Первоначально эти мембраны производились в виде плоских листов, аналогичных тем, которые ранее производились в исследовательских лабораториях, хотя и в гораздо большем масштабе. В 2017 году компания объявила о разработке мембраны из полых волокон CNT с нанотрубками, ориентированными радиально перпендикулярно поверхности мембраны, чего раньше никогда не достигалось. [8]
Во всех случаях УНТ служат уникальными порами, которые усиливают перенос массы через мембрану, выбирая их на основе размера или химического сродства. Например, в случае опреснения УНТ улучшают перенос воды, блокируя или уменьшая перенос солей, в зависимости от размера гидратированных ионов солей. В случае удаления органических веществ, например, при очистке воды, первапорации и экстракции, мембраны из УНТ преимущественно проникают в органические вещества, позволяя осуществлять разделение, которое раньше было возможно только с использованием таких методов, как дистилляция. Одним из примеров разделения органических веществ и воды является отделение этанола от воды, применение, в котором мембраны из УНТ демонстрируют почти идеальную селективность при транспортировке этанола. [9] [10]
Измерение нанопор в трековой мембране
[ редактировать ]С момента открытия технологии трекового травления в конце 1960-х годов фильтрующие мембраны необходимого диаметра нашли потенциальное применение в различных областях, включая безопасность пищевых продуктов, загрязнение окружающей среды, биологию, медицину, топливные элементы и химию. Эти трековые мембраны обычно изготавливаются из полимерной мембраны с помощью процедуры трекового травления, во время которой полимерная мембрана сначала облучается пучком тяжелых ионов с образованием треков, а затем после влажного травления вдоль трека создаются цилиндрические поры или асимметричные поры.
Не менее важным, чем изготовление фильтрующих мембран, является определение характеристик и измерение пор в мембране. До сих пор было разработано несколько методов, которые можно разделить на следующие категории в зависимости от используемых физических механизмов: методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM), атомно-силовая микроскопия (AFM). ); транспорт жидкости, такой как точка пузырька и транспорт газа; адсорбция жидкости, такая как адсорбция/десорбция азота (BEH), ртутная порометрия, равновесие жидкость-пар (BJH), равновесие газ-жидкость (пермопорометрия) и равновесие жидкость-твердое тело (термопорометрия); электронная проводимость; ультразвуковая спектроскопия;19 Молекулярный транспорт.
В последнее время использование техники пропускания света [11] в качестве метода измерения размера нанопор был предложен.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хаммер, Г.; Расайя, Дж. К.; Новорита, JP (2001). «Проводимость воды через гидрофобный канал углеродной нанотрубки». Природа . 414 (6860): 188–90. Бибкод : 2001Natur.414..188H . дои : 10.1038/35102535 . ПМИД 11700553 .
- ^ Шолл, Д.С.; Джонсон, Дж. К. (2006). «Создание высокопоточных мембран из углеродных нанотрубок». Наука . 312 (5776): 1003–4. дои : 10.1126/science.1127261 . ПМИД 16709770 .
- ^ Ли Сунь и Ричард М. Крукс (2000). «Мембраны из одноуглеродных нанотрубок: четко определенная модель для изучения переноса массы через нанопористые материалы». Дж. Ам. хим. Соц . 122 (49): 12340–12345. дои : 10.1021/ja002429w .
- ^ Хиндс, Би Джей; Чопра, Н; Рантелл, Т; Эндрюс, Р; Гавалас, В; Бачас, Л.Г. (2004). «Выровненные многостенные мембраны из углеродных нанотрубок» . Наука . 303 (5654): 62–5. Бибкод : 2004Sci...303...62H . дои : 10.1126/science.1092048 . ПМИД 14645855 .
- ^ Jump up to: а б Маджумдер, Майнак; Чопра, Нитин; Эндрюс, Родни; Хиндс, Брюс Дж. (2005). «Наномасштабная гидродинамика: усиленный поток в углеродных нанотрубках» . Природа . 438 (7064): 44. Бибкод : 2005Natur.438...44M . дои : 10.1038/438044a . ПМИД 16267546 .
- «Скользко во влажном состоянии» . Национальный научный фонд . 10 ноября 2005 г.
- ^ Jump up to: а б Холт, Дж. К.; Парк, ХГ; Ван, Ю; Стадерманн, М; Артюхин А.Б.; Григоропулос, КП; Ной, А; Бакаджин, О (2006). «Быстрый массоперенос через углеродные нанотрубки размером менее 2 нанометра». Наука . 312 (5776): 1034–7. Бибкод : 2006Sci...312.1034H . дои : 10.1126/science.1126298 . ПМИД 16709781 .
- «Мембраны из нанотрубок открывают возможность более дешевого опреснения» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . 18 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 27 мая 2010 г.
- ^ Ван, Цзуанкай; Ци, Лицзе; Чен, Ли; Наяк, Сародж; Аджаян, Пуликель М.; Кораткар, Нихил (2007). «Полярно-зависимый электрохимически контролируемый транспорт воды через мембраны из углеродных нанотрубок». Нано Летт . 7 (3): 697–702. Бибкод : 2007NanoL...7..697W . дои : 10.1021/nl062853g . ПМИД 17295548 .
- «Управление движением воды через мембраны нанотрубок» . Политехнический институт Ренсселера . 13 февраля 2007 г.
- ^ «(363d) Мембраны из полых волокон с радиально ориентированными углеродными нанотрубками | AIChE» . www.aiche.org . Проверено 23 января 2020 г.
- ^ Гравель, Саймон; Ёсида, Хироаки; Жоли, Лоран; Ибер, Кристоф; Боке, Лидерик (27 сентября 2016 г.). «Углеродные мембраны для эффективного разделения воды и этанола» (PDF) . Журнал химической физики . 145 (12): 124708. дои : 10.1063/1.4963098 . ISSN 0021-9606 . ПМИД 27782663 .
- ^ Винарто; Такайва, Дайсуке; Ямамото, Эйдзи; Ясуока, Кендзи (2016). «Разделение водно-этанольных растворов углеродными нанотрубками и электрическими полями» . Физическая химия Химическая физика . 18 (48): 33310–33319. дои : 10.1039/C6CP06731J . ПМИД 27897278 .
- ^ Ли Ян; Цинфэн Чжай; Гуйцзюань Ли; Хун Цзян; Лей Хан; Цзяхай Ван; Эркан Ван (октябрь 2013 г.). «Техника пропускания света для измерения размера пор в трековых мембранах». Химические коммуникации . 49 (97): 11415–7. дои : 10.1039/c3cc45841e . ПМИД 24169442 .
8. : «Мембранная дистилляция с усилением углеродными нанотрубками для одновременного получения чистой воды и концентрирования фармацевтических отходов». Кен Гетхард, Орнтида Сае-Хоу, Соменат Митра. 90, 239-245, . Технология разделения и очистки. 2012 год
9.:::"Опреснение воды с использованием мембранной дистилляции, усиленной углеродными нанотрубками". Кен Гетхард, Орнтида Сае-Хоу, Соменат Митра. Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 2011, 3, 110–114.
10.:::"Одновременная экстракция и концентрирование в половолоконных мембранах, иммобилизованных углеродными нанотрубками". Орнтида Саэ-Хоу и Соменат Митра. Анальный. хим. 2010, 82 (13), 5561-5567.
11.:::"Композиционные половолоконные мембраны с иммобилизованными углеродными нанотрубками для первапорационного удаления летучих органических веществ из воды". Орнтида Сае-Хоу и Соменат Митра. J. Phys. Chem. C. 2010, 114,16351-16356.
12.:::"Изготовление и характеристика пористых полимерных мембран, иммобилизованных углеродными нанотрубками". Орнтида Саэ-Хоу и Соменат Митра. Дж. Матер. хим., 2009, 19 (22), 3713-3718.
13.:: «Экстракция микромасштабных мембран с помощью углеродных нанотрубок». К. Хилтон, Ю. Чен, С. Митра, J. Chromatogr. А., 2008, 1211, 43-48.
14.:: «Полярные мембраны с иммобилизацией углеродных нанотрубок для усиленной экстракции полярных аналитов». Мадулина. Бхадра, Соменатх. Митра. Аналитик. 2012, 137, 4464-4468.