Waterveiligheid is een van de grootste uitdagingen van de huidige samenleving en om deze reden is het noodzakelijk om efficiënte en energiebesparende waterzuiveringstechnologieën te ontwikkelen.
Nanofiltratie (NF) is een nieuwe drukgestuurde membraantechnologie die multivalente ionen en klein moleculair organisch materiaal verwijdert met een laag energieverbruik en die veel wordt gebruikt in de drinkwaterproductie, gemeentelijk water en industriële afvalwaterzuivering.
Nanofiltratiemembranen van polyamide zijn sinds eind jaren zeventig het toonaangevende product op de markt. Hun dunne-filmcomposietstructuur bestaat uit een poreuze drager en een tweedimensionale (2D) polyamidelaag, die een uitstekende permeatieselectiviteit heeft. Ondanks bepaalde vooruitgang die is geboekt door verbeteringen in het ontwerp van monomeren, nanocomposieten en productieprocessen, is de waterdoorlaatbaarheid van polyamidemembranen echter nog steeds relatief laag, waardoor hun bredere industriële toepassingen worden beperkt.
De afgelopen jaren hebben nieuwe ontwerpen, zoals Turing-structuren op nanoschaal en gerimpelde oppervlakken, het filtratiegebied vergroot, maar ze zijn in wezen de evolutie van 2D-membranen. In de toekomst is het noodzakelijk om disruptieve nieuwe structuren te ontwikkelen om de scheidingsprestaties verder te verbeteren, terwijl we tegelijkertijd de relatie tussen verwerking en structuur diepgaand begrijpen om innovatieve oplossingen op het gebied van waterzuivering te bieden.
Hier rapporteerde Wu Chunrui, een onderzoeker aan de Polytechnische Universiteit van Tianjin, de bereiding van een gemengd dimensionaal polyamidemembraan met groot oppervlak door snelle zelfassemblage van twee kleine moleculen op het olie-watergrensvlak bij kamertemperatuur.
Het membraan heeft een unieke hiërarchische structuur die bestaat uit eendimensionale nanobuisjes die op het oppervlak van een tweedimensionaal nanomembraan zijn gegroeid. Deze innovatieve structuur vergroot het effectieve watertransportoppervlak per geprojecteerde oppervlakte aanzienlijk, waardoor de water-zoutscheidingsprestaties van het membraan veel beter zijn dan die van de meest geavanceerde membraanmaterialen die momenteel beschikbaar zijn.
Door controle-experimenten gecombineerd met moleculaire dynamica-simulaties ontdekten de auteurs dat de twee monomeermoleculen zich aan het begin van de reactie spontaan organiseerden in een tweedimensionaal nanoporiënnetwerk, en dat de opwaartse groei van de nanobuisjes werd aangedreven door capillaire werking in de nanoporiën.
Figuur: Schematisch diagram van een gemengd dimensionaal polyamidemembraan met een NoN-structuur, naast elkaar vergeleken met een vlak tweedimensionaal polyamidemembraan
Deze studie biedt waardevolle inzichten in hoe fysieke en chemische interacties op het grensvlak moleculen zelf assembleren tot grootschalige complexe hiërarchische nanostructuren onder omgevingsomstandigheden, en opent nieuwe wegen voor de ontwikkeling van schaalbare gemengd-dimensionale waterzuiveringsmembranen. De gerelateerde resultaten zijn gepubliceerd in Nature Water onder de titel Interfacial self-organization of large-area mixed-dimensional polyamide membranes for rapid waterige nanofiltratie, met Si-Hua Liu als eerste auteur.
Samenvatting: Hierin hebben we met succes een interfaciale polycondensatiebenadering toegepast om grootschalige fabricage van gemengd-dimensionale polyamidemembranen in één stap te bereiken. De unieke NoN-architectuur maakt de weg vrij voor energie-efficiënte NF-membranen die superieure waterdoorlaatbaarheid en water-zoutselectiviteit vertonen. Dit fabricageproces kan eenvoudig worden opgeschaald met behulp van roll-to-roll coating en heeft veelbelovende praktische toepassingen in de drinkwaterproductie en in de gemeentelijke en industriële afvalwaterzuivering. Theoretische inzichten uit dit werk onthullen de complexiteit van grensvlakpolycondensatie, vooral bij het exploiteren van de wisselwerking tussen grensvlakfysische en chemische interacties. De auteurs zijn van mening dat deze bevindingen inspiratie bieden voor de ontwikkeling van geavanceerde nanofabricagetechnologieën voor waterveiligheid.