Мембрани за филтриране на въздух и вода от електроовлакнени нано-нишки


Категория на документа: Други


1. Електроовлакняване
Електроовлакнените мембрани от нано-нишки притежават висока порьозност и взаимосвързана пореста структура, с размери на порите от няколко до няколко десетки пъти по-големи от диаметъра на нишките. Високата порьозност предполага по-висока пропускливост на флуидни потоци и взаимосвързаните пори могат да издържат по-добре на запушване. Тези характеристики водят до ниска консумация на енергия. Освен това, не само малкият размер на порите, но и огромната налична повърхностна площ, гъвкавост в повърхностните функционалности, както и дизайнът на мембраните от нано-нишки, оптимизират тяхната адсорбна природа и селективност. Възможността за комбиниране на различни полимери, частици под формата на нано-пълнители и биологични агенти чрез електроовлакняване води до развитие на нано-композитни / хибридни нано-влакнести мембрани с по-оптимална ефективност на филтриране и много по-широка област на приложения за околната среда, отколкото чистите им съставни части.

Нано-композитните / хибридните мембрани могат да бъдат категоризирани според областта на приложение и режим на работа.

2. Nanocomposite ENMs for Water Filtration
За пречистване на вода, мембраните от нано-нишки имат доста кратка история и, очевидно, не са намерили никакви реални приложения. Това е в контраст с филтрирането на въздух, при което полимерните мембрани от електроовлакнени нано-нишки се използват от десетилетия. Една основна причина за липсата на интерес към научните изследвания в тази област може да е невъзможността на тези мембрани да издържат на високи налягания, каквито често се използват при пречистването на вода.
Въз основа на режима на работа, мембраните за филтриране на вода са разделени на пресяващи и функционализирани мембрани. Микро, ултра-и нано-филтриращите мембрани често се използват за пречистване на отпадни води. Основната функция на отделяне се основава на пресяващ механизъм, т.е. необходимо е порите да са с размер, по-малък от размера на замърсителите. От друга страна, функционализираните мембрани позволяват отделянето на молекули, базирано на физични / химични свойства или биологични функции, а не на молекулно тегло / размер. Това разделение, основано на взаимодействие, елиминира необходимостта от много малки размери на порите и, съответно, на огромни налягания. Функционализирана мембрана, чиято повърхност е оборудвана да имобилизира специфични лиганди, разделя или улавя селективно молекули.
2.1. Пресяващи мембрани
В зависимост от размера на порите и приложението, процесът на филтриране на вода се разделя на микрофилтрация, ултрафилтрация, нанофилтрация, обратна осмоза и права осмоза. Изследват се най-вече първите три.
2.1.1. Нанокомпозитни електроовлакнени мембрани от нанонишки за микрофилтрация
Микрофилтрацията се отнася за процеса на филтриране, използващ порести мембрани за отделяне на частици с диаметри между 0.1 и 10 µm. Микро-филтриращите мембрани се използват за предварително филтруване на отпадни води. Предварителното филтруване се използва за премахване на груби частици посредством мембрани за обратна осмоза и нано-филтруване, като те могат да се използват дълго време преди да бъдат почистени / сменени. Микро-филтриращите мембрани са подходящи за премахване на нежелани видове, като частици, флокули, бактерии и т.н., като по този начин водата едновременно се филтрира и пречиства. Недостатъците на конвенционалните микро-филтриращи мембрани са слабия поток, който могат да поемат, както и склонността им към разпадане, като те са резултат от геометричната структура на порите, разпределението на размерите на порите и нежелани формации от макро-празнини в цялата дебелина на мембраната. Мембраните от електроовлакнени нано-нишки нямат тези недостатъци и могат да се използват за течна микро-филтрация, тъй като разпределението на размерите на порите им е от суб-микронно ниво до няколко микрометра. Такива мембрани имат висока порьозност и, съответно, пропускливост.
Въпреки предимствата на мембраните от електроовлакнени нано-нишки за използване при филтриране, те са също механически слаби и при налягане претърпяват разпадане на порите. Също така, по време на процеса на електроовлакняване се акумулират електростатични заряди, което е проблем при употребата на такива мембрани. Един начин за облекчаване на този проблем и за предотвратяването на разпадането на порите е електроовлакняването на нано-нишки директно върху по-силна основа.
Пример за филтриращия потенциал на хибридните мембрани от електроовлакнени нано-нишки: Използвани са нано-нишки от полиетерсулфон (PES) с диаметри 260 ± 110 nm, отложени върху технически микро-фибърен нетъкан полиетилен терефталат (PET). Тази хибридизация се извършва с цел улесняване на манипулирането на мрежата от нано-нишки и за осигуряване на механична якост (Фигура 6). Тази хибридна мембрана е изучена като предварителен филтър на частици във вода. За усилване на повърхностната стабилност е приложена топлинна обработка.

Филтриращата способност на хибридни мембрани от електроовлакнени нано-нишки зависи от разпределението на размерите на частиците. При наличие на микро-частици или субмикронни частици в потока, ефикасността на филтриране е най-висока през първия един час. Поради блокирането на порите, след това потокът намалява и спадът в налягането се покачва драстично. За големи частици, мембраните от нано-нишки играят роля на екранен филтър, който се почиства лесно; за малки частици тези мембрани играят ролята на дълбочинен филтър, като се формира значителен задръстващ пласт. PES/PET мембраната е подходяща за предварително филтриране на микро-размерни частици във вода, като се поддържа висока пропускливост.
Друг пример за микрофилтрация: мембрана от електроовлакнени нано-нишки от хибриден полиакрилонитрил (PAN)/PET. Характеристики на мембраната (без поддържащата нетъкана подложка): дебелина 200 ± 10 µm със среден диаметър на нишките 100 ± 20 nm, максимален размер на порите 0.62 ± 0.03 µm и среден размер на порите 0.22 ± 0.01 μm. Хибридната мембрана има 2 до 3 пъти по-висока пропускливост от конвенционалните мембрани със същия размер на порите. Тя отстранява съществено количество микро-частици и бактерии, и поради запазването на силата на потока, би била подходяща за микро-филтриране.

2.1.2. Електроовлакнени нанокомпозитни мембрани за ултра-филтрация
2.1.3.
Ултра-филтрацията е процес на филтриране на течности, справящ се с разнообразен диапазон от замърсители, като вируси, емулсии, протеини и колоиди с размери 1-100 nm. Ултра-филтриращите мембрани имат размер на порите, по-малък от 0.1μm. Тези мембрани се задръстват бързо и се губи силата на потока, поради малкия размер на порите и голямото отношение повърхнина-обем. Решение на този проблем е използването им с тънък филм като покритие, т.е. като композитна мембрана под формата на тънко покритие. Такава ултра-филтрираща мембрана се състои от нетъкан микро-фибърен субстрат, електроовлакнен среден слой и бариерен слой (произведен като покритие или повърхностна полимеризация). Средният слой с висока порьозност осигурява висока пропускливост.
Ефективността на такива хибридни мембрани е доказана с някои примери. На Фигура 8, е показана мембрана със среден слой, състоящ се от нишки на омрежен поливинил алкохол (PVA). Нишките имат диаметър 130-300 nm, а порьозността в обема и повърхността на средния слой - 83%. Използван е хидрофилен бариерен слой като горен, съдържащ хидрогел от омрежен PVA и PEBAX(r) 1074 (полиамид-полиетилен гликол). Резултатите от направената оценка на мембраната показват значително по-силен поток спрямо конвенционалните мембрани със същия бариерен слой. Проникването на потока и улавянето на замърсители силно зависи от плътността на омрежване на бариерния слой от PVA. Този параметър може да се контролира чрез количеството на втвърдителя (глутаралдехид). При добавяне на оксидирани МВНТ (до 10% от теглото на полимера) към бариерния слой води до 3 пъти по-висока пропускливост на потока за PEBAX(r) и 5 пъти за омрежения PVA при същата степен на улавяне на частици (около 99.8%). Това значително увеличение на потока може да е причинено от нови водни канали, изложени на повърхността на оксидираните въглеродни нано-тръбички.

Друг пример за ултра- и нано-филтрираща мембрана, издържаща на силен поток, която съдържа нано-нишки от полиакрилонитрил (PAN) с диаметър 124-720 nm, покрити от тънък (1 μm), хидрофилен, водоустойчив, но водопропусклив хитозанов горен слой, с порьозност ~70%. Пропускливостта на мембраната е един порядък по-висока от комерсиалните нано-филтриращи мембрани при 24-часов режим на работа, а ефективността й е >99.9% при филтриране на нефт от отпадни води.

2.2. Афинитетни мембрани
Афинитетните мембрани разграничават и улавят определени молекули на базата на физични / химични свойства или на биологични функции посредством специфични обездвижени лиганди или вторични фази на повърхността. Вещества като нано-частици, йони, органики, бактерии и т.н. се улавят според дизайна на мембраната.

2.2.1. Електроовлакнени мембрани от нано-нишки за нано-флуидна филтрация
2.2.2.
По отношение на селективността, електроовлакнените мембрани обикновено размери на порите в диапазона 0.1-10 µm. Слеователно, те трудно биха уловили частици под този обхват. За разширяване на приложимостта за премахване на нано-субстанции тези мембрани трябва да бъдат оборудвани с друг механизъм на разделяне - адсорбция.
Пример - макро-пореста био-нано-хибридна мембрана, състояща се от полимерни нано-нишки и протеини, която може да филтрира миниатюрни нано-размерни частици от водни разтвори. Нано-нишките от поли-акрилонитрил-ко-глицидил (PANGMA) с диаметър 100 nm са повърхностно функционализирани с обездвижване на протеин (Bovine Serum Albumin - BSA). Заради био-функционализацията нано-нишките увеличават диаметъра си на 126 nm. При омокрянето по време на филтрацията и увеличаването на pH-то над изоелектричната точка на протеина, се появяват скрити функционални групи след трансформации в самия протеин. Те са в състояние да се свържат с водните молекули, което води до подуване на протеина, и по този начин да се филтрират нано-частици (Фигура 9).

На Фигура 10А е показана способността на тази мембрана за улавяне на златни нано-частици. Ефективността на филтриране на тази био-функционализирана мембрана за златни нано-частици с размер 40 nm е 72.5%, а тази на мембраната само от PANGMA - едва 1.5%. За злато с размери 80 nm ефективността й е 97%, а за частици с размер 20 nm - 70%. Пропускливостта й е значително по-висока от тази на обикновените микро- и нано-филтриращи мембрани. Този експеримент е проведен при атмосферно налягане, т.е. при много ниска консумация.

Такива био-нано-хибридни мембрани с функционализиране на протеин могат да улавят дори много малки количества протеини и ензими от потоци отпадни води.

2.2.3. Нано-композитни мембрани от електроовлакнени нано-нишки за филтрация на тежки метали

Висока токсичност във водните системи показват тежки метали като мед, кадмий и хром. Те лесно се натрупват в живите организми и представляват сериозен проблем за здравето и нивото им във водата трябва строго да се регулира. Съществуват два метода за елиминиране на такива замърсители - адсорбция и филтрация. Интересно е, че мембраните от електроовлакнени нано-нишки могат да съчетаят и двете техники, а ефективността им за премахване на тежки метали отново е по-висока от конвенционално използваните материали, като вълна, сребро и филтърна хартия.

Пример - електроовлакнена мембрана, разработена чрез вграждане на нано-бьомит (кристално минерално съединение, състоящо се от алуминиев оксид и хидроксид) в nylon-6 и нано-нишки от поликапролактон (PCL). Диаметрите на нишките са в диапазона 300-600 nm за nylon-6 и 400-850 nm за nylon-boehmite, 0.9-1.2 µm за PCL и 1.0-1.5 µm за композитните нишки от PCL-boehmite. Способността на мембраната да премахва Cd2+ е 0.2 µg/mg, благодарение на голямата повърхност на нано-композитните нано-нишки. Въпреки това, заради капсулирането на функционалните нано-частици в самите нишки и заради по-малкото излагане на йоните на тежките метали, ефективността на улавяне не може да се сравнява с тази на нано-нишки, съдържащи функционални полимерни молекули.
Друг пример - нано-композитна електроовлакнена мембрана на база на нано-нишки от полиакрилна киселина (PAA)/поливинил алкохол (PVA), съдържащи МВНТ, които оптимизират механичната стабилност. Повърхността на нано-нишките допълнително е декорирана с нано-частици на нулево-валентно желязо, с цел да взаимодействат и да премахват кадмиеви йони Cu2+ от вода чрез химична редукция. Благодарение на голямата специфична повърхност, при равномерно разпръсване на нано-частиците на нулево-валентното желязо би могло ефективно да улавя медни йони.
2.2.4. Нано-композитни мембрани от електроовлакнени нано-нишки за филтриране на органични материали
Сред най-важните замърсители, към които водата е силно чувствителна, са органичните такива - петрол, протеини, хумусна киселина и др. - дори при много ниски концентрации (например, по-малко от 1% от замърсителите в дадена река).
Протеините са сред главните замърсители, които обикновено се премахват чрез ултра-филтриращи мембрани. Функционализирани мембрани от електроовлакнени нано-нишки могат да бъдат привлекателен заместител, тъй като взаимосвързаната им порьозност води до увеличение на пропускливостта им, съответно и до много ниска енергийна консумация. За отделяне на протеини обещаващ потенциал показват функционализирани полиуретан, полисулфон, полиакрилонитрил и целулоза.
Споменатата биофункционализираната мембрана с макро-пореста структура от нишки на поли-акрилонитрил-ко-глицидил (PANGMA) улавя ~90% от протеините и ензимите във водата, дори при много ниски концентрации (2 mg/L), което не е постигано досега.
Органични замърсители, като багрила и пестициди, лесно се разпадат във водни разтвори чрез фотокатализа, в присъствието на полупроводникови метални оксиди като титанов диоксид (ТiO2), цинков оксид (ZnO), калаен диоксид (SnO2), и меден оксид (CuO). Тези материали са широко изследвани в сферата на фотокаталитичната деградация на органични замърсители, заради техните физико-химични свойства, издръжливост и ниска цена. Добавянето на полупроводникови нано-частици към нано-нишките, в комбинация с излагането им на голяма повърхност, улеснява рециклирането и предотвратява агрегирането им.
Титановият диоксид (ТiO2) е широко използван полупроводник, който има способността фотокаталитично да оксидира токсични субстанции и по този начин те се превръщат в нетоксични такива, състоящи се от въглероден диоксид и вода. Това е причината той да се използва за произвеждане на композитни нано-нишки.
Пример - мембрана, състояща се от TiO2 / ZnO композитни нано-нишки (с диаметър 85-200 nm) има капацитет на разлагане близо 100% за Rhodamine-B (RhB) и 85% за фенол. Фотокаталитичната ефективност се подобрява оптимално при използване на 15.76% ZnO (Фигура 11).




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Мембрани за филтриране на въздух и вода от електроовлакнени нано-нишки 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.