Контролируемое приготовление ультратонких сэндвичей

Jan 21, 2024

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14961 (2015) Цитировать эту статью

2792 Доступа

6 цитат

Подробности о метриках

Мембраны на основе пористых органических каркасов (ПОФ) имеют потенциальное применение в молекулярной фильтрации, несмотря на отсутствие соответствующих исследований. В этом исследовании сообщается об интересной стратегии получения перерабатываемой дисперсии ПОФ и новой ультратонкой конструкции мембраны, напоминающей сэндвич. Случайно было обнаружено, что гидрофобные агломераты ПОН на основе Шиффа, богатые азотом, могут реагировать с литий-этиламином и образовывать стабильную дисперсию в воде. Путем последовательной фильтрации полученной дисперсии ПОФ и оксида графена (ГО) мы успешно получили ультратонкие сэндвич-подобные гибридные мембраны со слоистой структурой, которые показали значительно улучшенную эффективность разделения при молекулярной фильтрации органических красителей. Данное исследование может обеспечить универсальный способ получения обрабатываемых ПОФ и их гибридных мембран с ГО.

Сочетание адсорбции и фильтрации является эффективным способом реализации молекулярного разделения для различных применений с преимуществами низкого энергопотребления и простоты эксплуатации1,2,3. Многие хорошо известные нанопористые материалы, такие как цеолиты и металлоорганические каркасы (MOF), использовались в процессах молекулярного разделения4,5,6. Являясь неметаллическим аналогом MOF, пористые органические каркасы (POF) образуются за счет ковалентной сшивки различных органических фрагментов. Их чистая органическая наноструктура, регулируемый размер пор, а также высокая проницаемость и стабильность делают ПОФ перспективными для применения в молекулярном разделении7,8, особенно для очистки воды, чувствительной к металлическим загрязнениям. Однако соответствующие исследования были затруднены из-за присущих ему гидрофобных свойств и агломерационной природы. Как следствие, адсорбционное разделение с использованием чистых ПОФ обычно проводилось в периодическом режиме, требующем много времени и энергии, что не подходит для практического применения. Поэтому желательно собирать ПОФ в гидрофильные мембраны для быстрого и экономичного молекулярного разделения.

С другой стороны, механизмы разделения адсорбционной мембраны в основном основаны на взаимодействии молекул с сорбентами, включая электростатическую адсорбцию, аффинную адсорбцию и т. д.9. Несмотря на то, что на взаимодействие могут влиять многие факторы (в зависимости от конкретных задействованных механизмов), увеличение эффективной длины пути мембраны является распространенной стратегией повышения эффективности разделения10. Однако для одной и той же мембраны увеличение толщины мембраны приведет к неизбежному увеличению стоимости, очевидному снижению использования мест адсорбции, а также к большим потерям флюса и фильтрата.

Вдохновленные мембранами из оксида графена (GO)11,12,13,14,15, мы предлагаем ультратонкую сэндвич-подобную конструкцию мембраны (рис. 1а), которая может одновременно повысить эффективность разделения и использование мест адсорбции. Наша демонстрация концепции основана на использовании перерабатываемых POF на основе Шиффа (SWN) с высоким содержанием азота (рис. 1b) в качестве сорбента и нанолистов GO в качестве двумерных (2D) интервальных слоев. В этой гибридной мембране, напоминающей сэндвич, горизонтальные микрофлюидные каналы, построенные GO, могут значительно увеличить эффективный путь разделения в матрице ПОФ без увеличения их нагрузки и толщины. Примечательно, что во время молекулярной фильтрации гибридная мембрана демонстрирует значительно лучшую эффективность разделения (рис. 1c, d) и стабильность, что крайне желательно в процессе молекулярной фильтрации под давлением.

(а) Иллюстрация приготовления сэндвич-образной мембраны. (б) Цифровая фотография P-SWN и чистой дисперсии SWN с концентрацией ~0,5 мг/мл. (в) Цифровая фотография гибридной мембраны на подложке из ПТФЭ. (г) Цифровые фотографии фильтрационного оборудования и растворов МО (10 мг/л) до и после фильтрации.