两全其美!打破渗透率-脱盐率权衡的旋转多孔石墨烯膜!

淡水是人类和其他生物赖以生存的最宝贵资源之一,但由于人口增长、气候变化和水污染,淡水的供应越来越紧张。尽管当前最先进的反渗透(RO)脱盐技术已用于海水淡化,但一般的聚合物RO膜都存在诸如抗结垢性低、选择性差等问题。由于石墨烯具有抗污性、可调节的小孔径、化学稳定性以及大规模合成等优点,石墨烯基膜被认为是下一代海水淡化的候选者之一。然而,由于难以在单层石墨烯上制备均匀半径<0.45nm的无缺陷亚纳米孔,基于多孔石墨烯膜技术的大规模应用受到了限制。此外,纳米孔的尺寸应小于水合离子的直径,以显示出更高的离子选择性,可同时又希望实现高渗透性,这也是当前无法克服的选择性渗透膜技术中普遍存在的矛盾。

美国加州大学伯克利分校李少凡和江苏大学丁建宁等人创新性地利用带有大孔(直径2-4 nm,远大于水合离子直径)的旋转多孔石墨烯薄膜实施反渗透滤盐,实现了接近100%的离子截留率和超高渗透率,比已有的新型商业滤盐反渗透膜高2-3个数量级。该研究提出了一种“时间选择性”的新颖概念,将非常规选择性归因于离子通过孔的渗透时间与离子在孔中滑动所需的旁路时间之间的时间差。新发现的时间选择性克服了孔径带来的限制,并在设计高性能膜方面引发了新的理论。该研究以题为“Surface slip on rotating graphene membrane enables the temporal selectivity that breaks the permeability-selectivity trade-off”的论文发表在《Science Advances》上。

加州大学伯克利李少凡/江苏大学丁建宁《Science》子刊:两全其美!打破渗透率-脱盐率权衡的旋转多孔石墨烯膜!

【克服渗透性和选择性的矛盾】

渗透性和选择性是评估反渗透膜性能的关键指标,这也是当前渗透膜技术中难以两全的矛盾。图2A和B显示了在有12个2 nm孔(孔隙率为2.163%)的多孔石墨烯膜的不同旋转角速度下,渗透的水分子和离子(钠和氯)的数量与时间之间的关系。结果表明,随着多孔膜旋转角速度的增加,越来越多的盐离子从多孔石墨烯膜中逸出,而更多的水分子则通过该膜。如图2C所示,对于直径为2 nm孔的多孔石墨烯膜,角速度为40 rad/ns时,进料溶液的盐度可以从3.5%降低到0.059%两个数量级。如图2D所示,随着多孔膜的旋转速度的提高,脱盐率(选择性)和水通量(渗透率)同时增加。具有2nm直径纳米孔的旋转多孔石墨烯膜表现出98.5%的超强排盐率和每天超过3000升/ cm2的超高水通量。换句话说,即使具有如此大的纳米孔,也可以通过增加多孔膜的旋转角速度来完全打破透水性和选择性之间的权衡

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图1 海水淡化模型示意图
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图2 角速度对水通量和脱盐率的影响

【孔隙率与孔径】

为了研究孔隙率和孔径对旋转多孔膜性能的影响,作者在图3A中绘制了水通量和脱盐率与12至72个孔的旋转石墨烯膜孔隙率的函数关系图。结果表明,水通量随孔隙率的增加而增加,但除盐率降低。显然,由于进料膜界面摩擦的增加,孔隙率的增加显著降低了滑移速度。本质上,孔数量的增加,等同于膜上更多缺陷的出现,增加了多孔石墨烯的粗糙度。随后,作者在保持孔隙率恒定的情况下将孔径进一步扩大至直径3或4 nm,在进料-膜界面处提供足够大的滑移速度,则除盐率也可以得到显着改善(图5D)。此外,随着孔尺寸的增大,盐分截留率降低,同时,由于更多的渗透离子占据了多孔通道,水流在高角速度下也减小了。因此,对于滑移引起的盐排斥,孔径也是决定渗透率-选择性权衡上限的关键优化参数

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图3孔隙率和孔径对渗透率和选择性的影响

【性能比较】

作者将旋转多孔石墨烯膜的渗透性和选择性与已报道的代表性膜(包括商用TFC RO膜纳米多孔石墨烯膜二硫化钼等)进行了比较。图4显示了在这项工作中获得的反渗透膜的排盐率与渗透率的最佳数据。可以看出,对于95%以上的脱盐率,旋转多孔石墨烯的水渗透率每天增加至每天101至176 L/ cm2 / MPa,这是已报道的最佳商用膜的350至1000倍,比其他多孔石墨烯膜的最大透水率每天66 L / cm2 / MPa高出几倍。与最新的实验结果相比,在相同的86%脱盐率下,这项工作的透水性可以比GCNT杂化膜的透水性大三倍以上。此外,该研究的反渗透膜可通过针对不同的孔隙率和孔径调节角速度,可以容易地获得所需的透水性和脱盐率。

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图4与其他最新型反渗透膜的渗透性和排盐率比较

总结:作者报道了使用滑移诱导分离的时间选择性脱盐机理的新概念,该方法打破了渗透率-选择性的权衡,而不必严格依赖小的均匀孔径。这种新型的滑移诱导的分离方法绕过了孔径的常规限制,并打破了渗透率和选择性之间的权衡。此外,可以通过调节孔隙率、孔径、膜的厚度以及多孔疏水膜的旋转速度来获得所需的渗透性和选择性。该研究有望为设计高效的RO脱盐设备打开一扇新的大门,引发旋转/剪切膜的理论和实验研究的热潮,这可能会进一步革新下一代脱盐和净水技术的设计。

原文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaba9471

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