Углеродные нанотрубки для водного транспорта

В последнее время нехватка воды становится все более актуальной проблемой, и с учетом недавних прогнозов о высокой вероятности превращения нынешней засухи в мегазасуху, которая произойдет на западе Соединенных Штатов, технологии, связанные с очисткой и переработкой воды, нуждаются в совершенствовании. Углеродные нанотрубки (УНТ) стали предметом обширных исследований, поскольку они демонстрируют ряд уникальных свойств, которых нет в существующих технологиях. Например, мембраны из углеродных нанотрубок могут демонстрировать более высокий поток воды с меньшей энергией, чем современные мембраны. Эти мембраны также могут отфильтровывать частицы, которые слишком малы для обычных систем, что может привести к улучшению методов очистки воды и уменьшению количества отходов. Самым большим препятствием, с которым сталкивается УНТ, является переработка, поскольку их трудно производить в больших количествах, которые потребуются большинству этих технологий.

Основная информация

Существует два основных типа мембран, которые можно изготовить: с вертикально расположенными УНТ и с более хаотично расположенными УНТ. В идеале мембрана должна состоять из вертикально ориентированных УНТ, поскольку это создаст наибольший поток через мембрану, но создать такой рисунок невероятно сложно. Более простой метод — создать хаотично расположенную мембрану, но тот недостаток, что она не будет работать так же хорошо, как выровненная. Другими важными факторами, которые следует учитывать при обработке, являются диаметр и длина трубки, плотность УНТ (насколько плотно упакованы) и какой наполнитель (если таковой имеется) будет использоваться.

Буквы (n, m) обозначают количество единичных векторов в бесконечном листе графена, а Ch — «свернутый» вектор. T обозначает ось трубки, а a1 и a2 — единичные векторы графена. Если m = 0, УНТ называются «зигзагом», а когда n = m, УНТ называются «креслом». В противном случае УНТ просто «хиральны».

Гидрофобные . стенки углеродных нанотрубок ускоряют поток молекул воды через трубку, поскольку они «скользят» всякий раз, когда вступают в контакт со стенками Молекулы воды проходят через поры за счет разницы давлений, создаваемой насосом. Когда молекулы начинают проходить через трубку, они образуют цепочку друг с другом из-за наличия сильных водородных связей. Это облегчает поток воды через трубки, а также заставляет молекулу тянуться вперед за молекулу, находящуюся перед ней. Вода также может стекать по внешней поверхности трубок, но течение внутри трубок происходит быстрее всего. Считается, что эта система может быть полезна при очистке и опреснении воды из-за ускоренного потока воды, а также свойств нанотрубок исключать ионы. Ионы исключаются за счет функционализации концов нанотрубок, а также за счет диаметра трубок.

Химия поверхности

Нанозамкнутая вода

Хотя углеродные нанотрубки неполярны и, следовательно, относительно гидрофобны, вода самопроизвольно заполняет их при влажности ~ 8–10%. Понятный механизм заполнения зависит от полярности растворителя, концентрации ионов и сил Ван-дер-Ваальса между водой и УНТ. Когда вода внутри УНТ может иметь более низкий химический потенциал , чем в объеме, она заполняет УНТ. Даже неполярные материалы поляризуются. Эта поляризуемость учитывает силы Ван-дер-Ваальса между водой и стенками мембраны, притягивая молекулы воды в УНТ.

Выравнивание воды в одиночные цепи

«Проволоки» воды внутри углеродной нанотрубки, скрепленные водородными связями между молекулами воды и упорядоченные силами Ван-дер-Ваальса между молекулами воды и стенкой УНТ.

Внутри УНТ вода «нанозаключена» или содержится в наноразмерном объеме. Это наноконфайнмент объединяет молекулы воды в «провода», соединенные водородными связями, снижая химическую потенциальную энергию воды внутри нанотрубки. Взаимодействие углерода и воды делает эти проволоки наиболее благоприятным состоянием, пока силы Ван-дер-Ваальса остаются выше определенного уровня. При формировании идеальной проволоки дипольный момент каждой молекулы воды параллелен оси УНТ, где он имеет самый низкий потенциал. Эта ориентация имеет самый низкий потенциал, поскольку именно здесь дипольный момент молекулы воды меньше всего взаимодействует с неполярной стенкой УНТ. Помимо сил Ван-дер-Ваальса, снижающих химический потенциал, внешнее давление также может влиять на заполнение мембран УНТ. Давление не увеличивает химический потенциал внутри УНТ, но увеличивает его в объеме материала (100 МПа вызывает увеличение ~2 кДж/моль). ). Это делает внутреннюю часть CNT относительно более благоприятной для воды, приближая ее к наполнению.

Диаметр и эксклюзивность ионов

Водяные «провода» увеличивают поток воды, поскольку их упорядоченность уменьшает количество молекул, которые могут столкнуться друг с другом из-за броуновского движения. Эти цепочки «плотно заполняют» УНТ шириной менее 1 нм и длиной до 0,1 мм. образуя систему, которая может опосредовать перенос протона. Несмотря на то, что они высокоупорядочены, небольшое количество молекул, образующих цепочку, не позволяет уменьшению энтропии стать непомерно высоким, а внесение дефекта дипольной ориентации требует слишком много энергии. В этих системах многие ионы просто слишком велики, чтобы пройти через мембрану УНТ, поскольку диаметр их гидратной оболочки превышает диаметр УНТ. Некоторые ионы могут проходить через мембрану, заряжая ее.

Математическое моделирование

Транспорт молекул воды через капилляр часто можно оценить количественно с помощью уравнения Хагена-Пуазейля для непрерывного потока. Однако транспорт молекул воды через УНТ следует за явлением транспорта, известным как « нанофлюидика ». Это явление связано с чрезвычайно высоким соотношением сторон, молекулярно гладкими гидрофобными графитовыми стенками и наноразмерными внутренними диаметрами углеродных нанотрубок. Это явление позволяет молекулам воды и газа перемещаться через поры нанотрубок на порядки быстрее, чем через другие поры сопоставимого размера. Эта теория предполагает, что жидкость, текущая через наноканал, имеет длину скольжения без трения. Используя условие прилипания , мы можем смоделировать объемный расход, используя форму Хагена-Пуазейля, учитывающую длину скольжения без трения, которая показана ниже.

$Q_{slip}={\frac {\pi \left({\tfrac {d}{2}}\right)^{4}+4\left({\tfrac {d}{2}}\right)^{3}\cdot L(s)}{8\mu }}\cdot {\frac {\Delta P}{L}}$

Где:

$Q_{slip}$ представляет поток воды

$d$ представляет собой диаметр наноканала

$\Delta P$ это разница давлений между обоими концами наноканала

$\mu$ представляет вязкость воды, а

$L$ представляет длину наноканала

Длину скольжения (Ls(d)) можно рассчитать по следующему уравнению:

$L_{s}(d)=L_{s\infty }+{\frac {C}{d^{3}}}$

Где:

$L_{s\infty }$ представляет длину скольжения поверхности (предполагается 30 нм) и

$C$ является подходящим параметром

Приложения

Опреснение

Углеродные нанотрубки исследуются на предмет использования при опреснении воды из-за их свойств исключения ионов. Во многом это связано с неблагоприятным энергетическим барьером , который необходимо преодолеть для десольватации ионов, поскольку размеры гидратированных ионов часто превышают диаметр нанотрубок. По мере увеличения диаметра трубки через нее будут проходить все более и более крупные ионы. Другой способ выбора типа иона — создать заряженную среду внутри нанотрубки, чтобы уменьшить энергетический штраф за десольватацию выбранного иона. Это можно сделать путем включения в углеродную нанотрубку противоположно заряженных функциональных групп. Это также увеличивает энергетический барьер для противоположно заряженных ионов по сравнению с выбранным ионом.

Основные факторы, определяющие потенциал опреснения

Внутренний диаметр нанотрубки в значительной степени способствует свойству исключения ионов нанотрубки. Как показано ниже, увеличение с 0,32 (нм) до 0,75 (нм) привело к снижению процента отторжения соли на 42%. С другой стороны, больший внутренний диаметр обеспечивает соответствующее увеличение скорости потока. При таком же увеличении внутреннего диаметра расход увеличился с 66,7 (LMH) до 270,8 (LMH). Это демонстрирует компромисс, существующий между степенью исключения ионов и скоростью транспорта воды через мембрану.

Эффективность удаления соли и скорость потока вертикально ориентированных мембран из УНТ на основе молекулярно-динамического моделирования [a]

Свернутый вектор	Внутренний диаметр (нм)	Отказ от соли (%)	Расход (LMH) [б]	Улучшение [с]
(5,5)	0.32	100	66.7	2.42
(6,6)	0.49	100	112.5	4.21
(7,7)	0.59	95	175.0	6.39
(8,8)	0.75	58	270.8	9.76

[a] Принимая рабочее давление 5,5 МПа и допуская осмотическое давление 2,4 МПа. Плотность УНТ мембраны принималась равной 2,5 х 10 ¹¹ ЦНТ см ⁻² . [б] LMH = L*m ⁻² *час ⁻¹ [c] Коэффициенты улучшения оцениваются относительно опубликованных значений для коммерческой мембраны обратного осмоса FILMTECH SW30H4-380.

Проектирование характеристик мембран из УНТ

Биологическое обрастание может отрицательно повлиять на эффективность проницаемости мембраны и отвода солей. Биообрастание вредно для концентрационной поляризации внутри биопленки, что приводит к увеличению стоимости эксплуатации мембраны из УНТ.

Исследования показали, что в сочетании с наночастицами УНТ могут повреждать стенки микробных клеток и убивать бактерии. Одностенные нанотрубки имеют тенденцию проявлять более антимикробное поведение, чем многостенные и двустенные нанотрубки, и подавляют образование биопленок, первой стадии биологического загрязнения. Таким образом, поверхность мембран из УНТ, препятствующая биообрастанию, может требовать меньше ухода, чем традиционные мембраны для нанофильтрации и обратного осмоса.

Энтропийная природа нанофлюидики обеспечивает мембранам из УНТ очень низкое энергопотребление. Мембранные процессы УНТ можно использовать без использования энергоемкого насоса высокого давления, что является очень значительным преимуществом по сравнению с процессами нанофильтрации и обратного осмоса.

Практические цели для мембран из УНТ

Моделирование молекулярной динамики в сочетании с данными из научной литературы показывает, что типичные потоки УНТ варьируются от 70 до 270 LMH. Таким образом, теоретический поток воды 10-15 лм/бар может быть достигнут на вертикально ориентированных УНТ, что в пять раз больше, чем на традиционных установках обратного осмоса с солоноватой водой. Мембраны из смешанных нанотрубок, такие как двустенные нанотрубки/полиакрилат, имеют поток около 4,05 лм/бар, что в 1,5 раза выше, чем при обратном осмосе соленой воды. Сообщалось о чрезвычайно высоких уровнях флюса в смесях многостенных нанотрубок и полисульфона, хотя точные Механизм транспорта H ₂ O до сих пор неизвестен. Предполагается, что вертикально ориентированные мембраны из УНТ будут иметь эффективность удаления соли, приближающуюся к эффективности обратного осмоса в солоноватой воде, при условии, что нанотрубки с внутренним диаметром менее 1 нанометра используются в тандеме с максимальным поверхностным зарядом за счет различных функциональных групп и модификаций полимерной поверхности.

Очистка сточных вод

УНТ обладают различными качествами, которые делают их полезными для очистки сточных вод , включая их способность избирательно фильтровать чрезвычайно мелкие частицы, а также их уникальную способность в качестве адсорбентов благодаря их относительной химической, механической и термической стабильности. Мембраны из УНТ проявляют особую склонность к адсорбции ионами тяжелых металлов, таких как Zn. ²⁺ , который токсичен для водных организмов и имеет тенденцию к быстрому биоаккумуляции . Сравнение скорости адсорбции ионов цинка на УНТ с другими материалами, такими как коммерчески доступный PAC, было очень благоприятным, а также было показано, что возможность повторного использования УНТ обратима в присутствии разбавленной азотной кислоты и может использоваться повторно в течение 10 циклов адсорбции и десорбции. . Также было показано, что фильтрация УНТ адсорбирует другие тяжелые металлы, такие как никель, свинец, кадмий, хром и медь.

Счетчики сошников CNT

Помимо удаления мелких частиц, существует возможность использования уникально согласованных и поддающихся количественной оценке размеров углеродных нанотрубок в качестве устройств, известных как счетчики Коултера . Счетчики Коултера количественно определяют прохождение объектов через пору путем измерения разницы напряжений, которая в большинстве случаев пропорциональна размеру объекта. УНТ и УНТ-мембраны могут быть особенно полезны в этом отношении из-за их способности создавать массивы нанопор, при этом УНТ внедряются в такие матрицы, как эпоксидная смола, с относительно равномерным распределением. Также возможно создание мембран из одиночных нанопор, что позволит ученым изучать аналоги массового транспорта таких вещей, как лекарства, вирусы и гены, например, через клеточный матрикс. Мембраны из УНТ также потенциально могут помочь обнаружить незначительное количество токсинов или химических веществ в пробах сточных вод.

См. также

• Углеродные нанотрубки
• Мембраны из углеродных нанотрубок
• Обратный осмос
• Опреснение