Prefazione: Nella parte precedente di questo articolo, Navigare nel mondo dei filtri a membrana: Types, Uses, and Benefits (Ⅰ), abbiamo discusso una panoramica delle membrane di filtrazione e introdotto i due tipi più comuni di membrane di filtrazione, le membrane di filtrazione polimeriche, tra cui il polietersolfone (PES) e il fluoruro di polivinilidene (PVDF), e le membrane di filtrazione ceramiche, descrivendone la preparazione e le applicazioni. Lo Stanford Advanced Materials (SAM) continuerà a presentare altri tipi di membrane: membrane nano-strutturate, strutture metallo-organiche e membrane filtranti composite.
5 Membrane nanostrutturate
5.1 Membrane a nanotubi di biossido di titanio (TiO2)
5.1.1 Cosa sono le membrane a nanotubi di biossido di titanio (TiO2)
Dalla scoperta dei nanotubi di carbonio nel 1991, i nanomateriali a struttura tubolare hanno attirato molta attenzione grazie alle loro proprietà fisico-chimiche uniche e alle promettenti applicazioni nella microelettronica, nella catalisi applicata, nella conversione fotovoltaica, ecc. Il TiO2, con i suoi vantaggi di buon assorbimento dei raggi ultravioletti, alta costante dielettrica e proprietà chimiche stabili, è ampiamente utilizzato nei campi della fotocatalisi, dei rivestimenti per celle solari, dell'anticorrosione, della purificazione dell'aria e del trattamento delle acque reflue e in altri campi. I nanotubi di biossido di titanio hanno tipicamente un diametro da pochi a decine di nanometri, mentre la lunghezza può variare da poche centinaia di nanometri a diversi micrometri. Queste dimensioni in scala nanometrica consentono ai nanotubi di biossido di titanio di avere un'elevata area superficiale specifica, un'alta capacità di batteria e speciali proprietà fotovoltaiche, che fanno sì che le membrane di nanotubi di biossido di titanio abbiano un'ampia gamma di applicazioni nella fotocatalisi, nella preparazione di dispositivi fotovoltaici, nella preparazione di sensori e nelle conseguenti aree di reazione correlate, come la purificazione e il trattamento di acqua e aria.
Fig. 6 Microstruttura dei nanotubi di biossido di titanio
5.1.2 Metodi di sintesi per le membrane di nanotubi di biossido di titanio (TiO2)
I metodi comuni di preparazione dei film sottili di nanotubi di TiO2 includono il metodo della soluzione, il metodo della deposizione in fase vapore e il metodo elettrochimico.
Il metodo in soluzione si basa su precursori di TiO2 in soluzione e, in condizioni specifiche (ad esempio, temperatura, pH, solvente, ecc.), i film di nanotubi di TiO2 si formano controllando i processi di precipitazione, dissoluzione e crescita dei cristalli. Il metodo in soluzione è il più utilizzato per i vantaggi di un processo semplice e poco costoso e per la possibilità di controllare meglio la morfologia delle dimensioni.
La deposizione in fase di vapore utilizza precursori di TiO2 in fase gassosa per formare film sottili depositandoli sulla superficie di un substrato in un ambiente ad alta temperatura. Questo metodo comprende sia la deposizione chimica da vapore (CVD) che la deposizione fisica da vapore (PVD). Nel metodo CVD, un film di TiO2 si forma immettendo un composto precursore gassoso in una camera di reazione e decomponendolo e depositandolo sulla superficie del substrato ad alte temperature. Nel metodo PVD, viene utilizzato un processo fisico (ad esempio, sputtering, evaporazione) per convertire il materiale sorgente solido di TiO2 in uno stato gassoso, che viene poi depositato sulla superficie del substrato. I vantaggi del metodo di deposizione da vapore per la preparazione di film di nanotubi di TiO2 includono una minore quantità di impurità prodotte durante il processo di preparazione e una maggiore qualità del film.
I metodi elettrochimici utilizzano reazioni elettrochimiche per depositare film di nanotubi di TiO2 sulla superficie dell'elettrodo. Una tecnica comune è l'anodizzazione, in cui si forma uno strato di ossido sulla superficie di un substrato applicando una tensione in un elettrolita specifico; questo strato di ossido viene poi utilizzato come modello per far crescere nanotubi di TiO2 in condizioni specifiche. I vantaggi di questo metodo includono la semplicità del processo di preparazione, la facilità di manipolazione e il fatto che può essere eseguito a temperatura ambiente.
5.1.3 Dove si usano le membrane a nanotubi di biossido di titanio (TiO2)
1. Trattamento delle acque: Le membrane a nanotubi di biossido di titanio possono essere utilizzate nel trattamento delle acque per la rimozione di microinquinanti e il miglioramento della qualità dell'acqua. La sua elevata area superficiale specifica e le sue proprietà fotocatalitiche gli consentono di adsorbire e degradare efficacemente inquinanti come la materia organica, gli ioni di metalli pesanti e i microrganismi presenti nell'acqua e di realizzare la purificazione e la disinfezione dell'acqua. Ad esempio, la combinazione della membrana di nanotubi di biossido di titanio con la tecnologia fotocatalitica può stimolare la produzione di specie attive di ossigeno attraverso l'irradiazione di luce ultravioletta, rimuovendo gli inquinanti organici e i batteri dall'acqua.
2. Purificazione dell'aria: Le membrane di nanotubi di TiO2 possono essere utilizzate anche per la purificazione dell'aria, rimuovendo gli agenti organici presenti nell'aria, i COV (composti organici volatili), la formaldeide e altri gas nocivi. Analogamente alle applicazioni nel trattamento delle acque, le proprietà fotocatalitiche di queste membrane possono essere utilizzate per irradiare la luce ultravioletta sulla membrana, promuovendo la degradazione e la rimozione dei gas nocivi.
3. Filtrazione del particolato: Sebbene le membrane di nanotubi di biossido di titanio siano principalmente fotocatalitiche, la loro struttura tubolare su scala nanometrica le rende anche capaci di filtrare in una certa misura il particolato. Sebbene questa prestazione di filtrazione non sia efficiente come quella di altri materiali di filtrazione, ha comunque un certo effetto di filtrazione in scenari applicativi specifici e può essere utilizzata come strato di filtrazione aggiuntivo.
5.2 Membrane di ossido di grafene (GO)
5.2.1 Introduzione delle membrane di ossido di grafene (GO)
L'ossido di grafene (GO) è un ossido di grafene. Dopo l'ossidazione, il numero di gruppi funzionali contenenti ossigeno sul grafene aumenta, rendendolo più reattivo e migliorandone le proprietà attraverso varie reazioni con i gruppi funzionali contenenti ossigeno. Il GO è un singolo strato atomico che può essere facilmente scalato fino a decine di micrometri di dimensione laterale. Come tale, la sua struttura si estende su scale tipiche della chimica generale e della scienza dei materiali. I fiocchi di ossido di grafene sono il prodotto dell'ossidazione chimica e dell'esfoliazione della polvere di grafite. Può essere considerato un tipo non tradizionale di materiale morbido con proprietà di polimeri, colloidi e film sottili, nonché di molecole anfifiliche.
L'ossido di grafene ha una grande quantità di ossigeno (ad esempio, gruppi idrossilici, gruppi carbossilici, ecc.), che forma difetti e gruppi funzionali tra gli strati di grafene, portando alla formazione di strutture microporose negli interstizi tra gli strati. Queste strutture microporose conferiscono alle membrane filtranti in ossido di grafene un elevato grado di area superficiale e permeabilità. Queste strutture microporose possono essere utilizzate sia per la filtrazione fisica, cioè per bloccare o lasciar passare selettivamente le molecole di liquidi o gas in base alle dimensioni dei micropori, sia per la rimozione di solidi in sospensione, soluti, microrganismi e così via. I gruppi funzionali sulla superficie della membrana di filtrazione in ossido di grafene possono anche chemisorbire con le molecole di soluto in modo che le molecole di soluto vengano adsorbite o attaccate sulla superficie della membrana di filtrazione, rimuovendo così la materia organica, gli ioni di metalli pesanti e altri inquinanti presenti nel liquido o nel gas. Allo stesso tempo, i gruppi funzionali sulla superficie della membrana di filtrazione in ossido di grafene possono essere caricati positivamente o negativamente e questi effetti di carica possono influenzare l'adsorbimento e la distribuzione delle molecole di soluto sulla superficie della membrana di filtrazione, realizzando così una filtrazione selettiva di soluti specifici.
Inoltre, alcune membrane filtranti in ossido di grafene possiedono un'attività fotocatalitica, ossia, quando esposte alla luce, l'ossido di grafene sulla superficie può generare specie reattive dell'ossigeno, come radicali idrossilici e ioni superossido, ecc. che possono ossidare e degradare la materia organica, realizzando così la degradazione e la rimozione degli inquinanti organici nell'acqua.
Fig. 7 Struttura dell'ossido di grafene (GO)
5.2.2 Diversi metodi di preparazione delle membrane di ossido di grafene (GO)
L'ossido di grafene si ottiene attraverso la reazione di ossidazione del grafene, generalmente con due metodi: il metodo Hummers e il metodo Brodie.
1. Metodo Hummers: Il grafene viene mescolato con acido solforico concentrato e agitato per ottenere un contatto completo, quindi si aggiunge acido nitrico e si agita la reazione a una temperatura inferiore a 5℃, dopodiché si aggiunge perossido di idrogeno raffreddato alla reazione e si aggiunge una grande quantità di acqua per diluire la soluzione di reazione alla fine della reazione; l'ossido di grafene si ottiene per filtrazione, lavaggio, essiccazione e altri passaggi.
Fig. 8 Preparazione dell'ossido di grafene con il metodo Hummers
2. Metodo Brodie: polvere di grafite e acido nitrico concentrato mescolati, mentre si agita si aggiunge acido solforico freddo, l'ossidazione dell'acido nitrico della reazione della grafite produce NO2, al termine della reazione si aggiunge una grande quantità di acqua per diluire la soluzione di reazione, dopo la filtrazione, il lavaggio, l'essiccazione e altri passaggi per ottenere l'ossido di grafene.
Una volta ottenuto l'ossido di grafene, questo può essere fabbricato in film sottili utilizzando varie tecniche, ognuna delle quali si adatta alle applicazioni specifiche e alle proprietà desiderate del prodotto finale.
1. Metodo di rivestimento: i passaggi sono relativamente semplici, la polvere di ossido di grafene viene aggiunta alla quantità appropriata di solvente e agitata in modo uniforme per farla disperdere, la soluzione viene spalmata in modo uniforme sul substrato per farla asciugare, quindi si ripetono i passaggi precedenti fino a ottenere uno spessore adeguato.
2. Deposizione chimica da vapore (CVD): La polvere di ossido di grafene viene posta in un forno ad alta temperatura e riscaldata a oltre 700°C. Uno o più gas contenenti fonti di carbonio (come metano, etilene, ecc.) fluiscono nella camera di reazione e i gas delle fonti di carbonio si decompongono ad alta temperatura per formare grafene, che reagisce con gli ossidi sulla superficie dell'ossido di grafene per generare film di ossido di grafene.
3. Metodo idrotermale: rispetto al metodo di deposizione chimica da vapore, la temperatura di reazione richiesta è inferiore; la polvere di ossido di grafene viene aggiunta alla quantità appropriata di solvente, riscaldata alla temperatura appropriata, quindi l'agente riducente (come idrogeno, ammoniaca, ecc.) viene aggiunto al sistema di reazione e l'agente riducente nelle condizioni idrotermali per ridurre l'ossido di grafene e ottenere il film.
5.2.3 Vari scenari di applicazione delle membrane di ossido di grafene (GO)
1. Trattamento dell'acqua e purificazione dell'aria: la membrana di ossido di grafene non solo può effettuare la filtrazione convenzionale, ma la sua selettività molecolare consente di realizzare la desalinizzazione, la separazione olio-acqua, ecc. Nel frattempo, la sua struttura microporosa e i componenti ossidati possono anche rimuovere la materia organica e gli ioni di metalli pesanti, ecc.
2. Separazione molecolare: la struttura microporosa della membrana di filtrazione in ossido di grafene può regolare la permeabilità e la separazione selettiva delle molecole, per cui ha un potenziale valore applicativo nella separazione dei gas, nella separazione dei solventi, nello screening molecolare e così via. Ad esempio, una membrana di filtrazione in ossido di grafene può essere utilizzata per realizzare la cattura di CO2, la separazione dei gas e la purificazione organica.
3. Biomedicina: La membrana di filtrazione in ossido di grafene ha una buona biocompatibilità e biosorbimento, per cui viene utilizzata nei campi della biosensing, della bioseparazione e della bioanalisi. Ad esempio, le membrane di filtrazione in ossido di grafene possono essere utilizzate per la coltura cellulare, la separazione delle proteine e la cattura del DNA.
4. Energia: Le membrane di filtrazione in ossido di grafene sono utilizzate in dispositivi come batterie, supercondensatori e celle a combustibile nel settore energetico come membrane per il trasporto di ioni e membrane elettrolitiche per migliorare le prestazioni e la stabilità dei dispositivi.
5.3 Membrana di nanotubi di carbonio (CNT)
5.3.1 Proprietà della membrana di nanotubi di carbonio (CNT)
Il nanotubo di carbonio (CNT) è un tubo cavo senza giunture formato da fiocchi di grafite arricciati. Gli atomi di carbonio nei nanotubi di carbonio sono ibridati e legati in modalità sp2, con un anello a sei membri come unità strutturale di base. Grazie a questa struttura, i nanotubi di carbonio hanno un elevato modulo di Young e sono materiali con un'elevata resistenza alla frattura che non si danneggiano facilmente in situazioni di flessione. I nanotubi di carbonio hanno anche una buona stabilità chimica, un'elevata resistenza meccanica e flessibilità e possono adattarsi alla maggior parte degli ambienti per mantenere stabili e inalterate le loro proprietà strutturali.
La membrana di nanotubi di carbonio è una struttura bidimensionale a rete di nanotubi di carbonio formata da singoli nanotubi di carbonio riempiti con matrici libere di nanotubi di carbonio mediante metodi fisici o chimici. Le sue prestazioni sono legate alla conformazione, all'orientamento, al grado di difetti e al rapporto lunghezza/diametro dei nanotubi di carbonio. Le membrane di nanotubi di carbonio hanno una struttura dei pori su scala nanometrica e un'ampia superficie specifica, che rende la membrana filtrante dotata di un'ampia superficie, favorevole all'adsorbimento e alla separazione dei soluti. La struttura dei pori ha dimensioni nanometriche, il che la rende efficace nel bloccare soluti, come particelle, molecole organiche, ecc. Nonostante la struttura dei pori su scala nanometrica, la membrana di filtrazione in nanotubi di carbonio ha un'elevata permeabilità, che facilita il rapido passaggio dei soluti e riduce la resistenza alla filtrazione. Esistono vari metodi per preparare membrane di filtrazione a nanotubi di carbonio, che possono essere realizzati regolando la struttura, la densità, il numero di strati e altri parametri dei nanotubi di carbonio per regolare le prestazioni delle membrane di filtrazione in modo da soddisfare le esigenze dei diversi scenari applicativi.
Fig. 9 Struttura schematica di diverse forme di monomeri di carbonio
5.3.2 Approcci di sintesi per le membrane di filtrazione a nanotubi di carbonio
1. Deposizione chimica da vapore (CVD): I gas di partenza del carbonio tipicamente utilizzati includono idrocarburi come etilene e metano, mentre per il catalizzatore si scelgono solitamente catalizzatori metallici come ferro, nichel, cobalto, ecc. Il substrato da depositare (ad esempio, wafer di silicio, wafer di vetro, ecc.) viene collocato in una camera di reazione per garantire che la superficie del substrato sia pulita e piatta. La camera di reazione viene riscaldata a una temperatura adeguata e quindi estratta a un certo livello di vuoto per garantire la purezza e la stabilità dei gas durante il processo di reazione. Il gas sorgente di carbonio e il gas catalizzatore vengono introdotti nella camera di reazione attraverso un sistema di alimentazione del gas per controllare la portata e il volume del gas. Il gas di partenza del carbonio si dissocia sulla superficie del catalizzatore per generare atomi di carbonio, che vengono successivamente depositati sulla superficie del substrato per formare nanotubi di carbonio. Il tempo di crescita dei nanotubi di carbonio è controllato, di solito da minuti a ore, per controllare la lunghezza e la densità dei nanotubi. Una crescita prolungata produce nanotubi di carbonio più lunghi e più densi. Al termine della crescita, l'alimentazione della fonte di carbonio e del gas catalizzatore viene interrotta e la camera di reazione viene raffreddata a temperatura ambiente. Al termine della reazione, il gas residuo nella camera di reazione viene rimosso fornendo un gas inerte come azoto o argon.
2. Metodo di rivestimento: La sospensione di nanotubi di carbonio viene rivestita sulla superficie del substrato mediante spin-coating, spruzzatura, spazzolatura o laminazione. Durante il processo di rivestimento, è possibile controllare parametri quali la velocità di rivestimento e la velocità di rotazione della testa di rivestimento per controllare lo spessore e l'uniformità del film. Dopo la verniciatura, il rivestimento viene posto in un'area ventilata o su un banco riscaldato per indurre l'evaporazione del solvente. Dopo la completa evaporazione del solvente, si procede all'essiccazione per formare un film uniforme di nanotubi di carbonio. Opzionalmente, il film di nanotubi di carbonio viene trattato termicamente per migliorarne la cristallinità e le proprietà meccaniche. Le condizioni di trattamento termico possono essere regolate a seconda delle necessità e sono solitamente eseguite in atmosfera di gas inerte.
3. Filtrazione: I materiali delle membrane filtranti comunemente utilizzati includono membrane in policarbonato (PC), poliestere (PET) e poliammide (Nylon), mentre la dimensione dei pori viene solitamente selezionata in base allo spessore del film e alla permeabilità desiderati. La sospensione di nanotubi di carbonio viene filtrata sulla membrana filtrante mediante vuoto o pressione. Le operazioni di filtrazione possono essere eseguite utilizzando apparecchiature come imbuti di filtrazione sotto vuoto o filtri a membrana.
4. Metodo di strippaggio: i metodi di strippaggio più comuni includono lo strippaggio meccanico, in cui la pellicola di nanotubi di carbonio viene direttamente strippata dal substrato utilizzando strumenti di strippaggio (ad es, nastri, raschietti, ecc.); stripping chimico, in cui il film di nanotubi di carbonio cresciuto viene posto in un solvente o in una soluzione appropriata in modo da danneggiare il legame tra il film e il substrato per realizzare lo stripping; e stripping termico, in cui il substrato o il film viene riscaldato per farlo espandere o contrarre termicamente per distruggere il legame tra il substrato e il film per realizzare lo stripping; e stripping termico, in cui il substrato o il film viene riscaldato per farlo espandere o contrarre termicamente per distruggere il legame tra il substrato e il film per realizzare lo stripping. e la pellicola riscaldando il substrato o la pellicola, facendoli espandere e contrarre termicamente, rompendo così il legame tra il substrato e la pellicola.
5.3.3 Caso di studio: Membrane a osmosi inversa potenziate con nanotubi di carbonio
Un'applicazione unica dei nanotubi di carbonio, oltre alle applicazioni funzionali simili ad altri tipi di membrane di filtrazione, sono le membrane a osmosi inversa. Questa tecnologia di separazione a membrana è in grado di separare dall'acqua impurità, ioni, microrganismi, ecc. ed è ampiamente utilizzata nei settori dell'acqua potabile, del trattamento delle acque reflue industriali e della desalinizzazione dell'acqua marina. Tuttavia, la membrana ad osmosi inversa presenta il problema del basso flusso e della scarsa efficienza di trattamento. Per risolvere questo problema, gli studiosi hanno introdotto i nanotubi di carbonio nelle membrane a osmosi inversa. I nanotubi di carbonio hanno proprietà eccellenti come l'elevata area superficiale specifica, l'alta resistenza, l'alta conducibilità, ecc. che possono formare una sorta di canale conduttore di protoni nella membrana a osmosi inversa e aumentare il flusso. Allo stesso tempo, i nanotubi di carbonio possono anche adsorbire ioni, microrganismi e altre impurità presenti nell'acqua, migliorando efficacemente l'efficienza di purificazione dell'acqua e la durata della membrana a osmosi inversa. Attualmente, la membrana a osmosi inversa basata sui nanotubi di carbonio è stata introdotta nell'uso commerciale, nel campo dell'acqua potabile, della desalinizzazione dell'acqua di mare e in altri settori per ottenere risultati significativi. In futuro, la ricerca e la tecnologia di preparazione dei materiali a base di nanotubi di carbonio saranno ulteriormente sviluppate e il flusso e l'efficienza di lavorazione delle membrane a osmosi inversa saranno costantemente migliorati.
Tabella 2 Confronto tra le proprietà dei nanotubi di TiO2, GO e CNT
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Proprietà
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Membrane a nanotubi di biossido di titanio (TiO2)
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Membrane di ossido di grafene (GO)
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Membrane di nanotubi di carbonio (CNT)
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Struttura del materiale
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Nanotubi di ossido di titanio
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Ossido di grafene con gruppi funzionali contenenti ossigeno
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Nanotubi di carbonio
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Metodo di preparazione
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Metodo di soluzione Metodo di deposizione da vapore Metodo elettrochimico
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Metodo di rivestimento Metodo di deposizione chimica da vapore Metodo idrotermico
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Metodo di deposizione chimica da vapore Metodo di rivestimento Metodo di filtrazione
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Aree di applicazione
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Fotocatalisi Dispositivi fotovoltaici Purificazione dell'acqua e dell'aria
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Trattamento dell'acqua Purificazione dell'aria Separazione molecolare Biomedicina
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Trattamento dell'acqua Membrane ad osmosi inversa Separazione molecolare Biomedicina
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Vantaggi
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Elevata area superficiale Speciali proprietà fotovoltaiche Attività fotocatalitica
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Molti gruppi funzionali contenenti ossigeno Elevata attività superficiale Selettività molecolare
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Elevata resistenza Elevata conducibilità Elevata area superficiale specifica Prestazioni regolabili
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Svantaggi
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Processo di preparazione complesso e costo elevato
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Incline a difetti strutturali e scarsa stabilità durante il processo di preparazione
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Processo di preparazione complesso Elevati requisiti di controllo del processo
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Applicazioni
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Trattamento fotocatalitico dell'acqua Purificazione dell'aria Preparazione di dispositivi fotovoltaici
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Trattamento dell'acqua Separazione molecolare Applicazioni biomediche
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Membrane a osmosi inversa Separazione molecolare Applicazioni biomediche
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6 Membrane basate su strutture organiche metalliche (MOF)
6.1 Che cosa sono le membrane MOF
IlMetal Organic Framework (MOF) è un polimero di coordinazione realizzato mediante l'autoassemblaggio di ligandi organici polidentati contenenti ossigeno, azoto, ecc. con ioni di metalli di transizione. È costituito da centri metallici inorganici e ligandi organici a ponte collegati tramite autoassemblaggio per formare un materiale cristallino poroso con una struttura a rete periodica. In quanto materiale ibrido organico-inorganico, il MOF possiede sia la rigidità dei materiali inorganici che la flessibilità dei materiali organici.
Le strutture a spina dorsale in diverse dimensioni sono determinate principalmente dalla coordinazione tra ligandi organici e ioni metallici e dal legame a idrogeno. Durante il processo di sintesi, i reagenti residui e le piccole molecole di solventi occupano i pori della struttura a scheletro, mentre la rimozione delle piccole molecole mediante trattamento di attivazione può lasciare una struttura di pori persistente. Le dimensioni e la struttura dei pori possono essere modificate cambiando la struttura dei ligandi organici e il tipo di ioni metallici nel materiale sintetizzato, per controllare l'area superficiale specifica e la porosità in base alle diverse applicazioni. Attualmente, i materiali a scheletro metallo-organico utilizzati insieme a ligandi neutri organici eterociclici contenenti azoto o a ligandi anionici organici contenenti carbossile possono essere sintetizzati in grandi quantità, il che rappresenta un grande potenziale per lo sviluppo e l'applicazione nella moderna ricerca sui materiali.
6.2 Come produrre membrane MOF
1. Metodo di sintesi in situ: in base alle particolari proprietà superficiali del supporto stesso, il supporto viene inserito direttamente nel sistema di sintesi e, in determinate condizioni, la superficie del supporto e la notte di formazione del film entrano direttamente in contatto e quindi reagiscono, per preparare una membrana continua. Il metodo di sintesi in situ è semplice e facile da utilizzare, facile da realizzare su larga scala, ma è difficile preparare membrane MOF continue, perché le proprietà chimiche tra i materiali MOF e i carrier sono più diverse, il tasso di nucleazione dei cristalli è ridotto, con conseguente bassa densità di nucleazione eterogenea dei cristalli MOF sulla superficie del carrier e scarso legame tra la membrana e il carrier.
2. Metodo di crescita secondaria del seme di cristallo: utilizzare innanzitutto il metodo idrotermale per far crescere il seme di cristallo sul substrato, quindi, dopo il processo di nucleazione del cristallo, la crescita dello strato di membrana, la crescita secondaria del materiale per ottenere una membrana densa. Infine, le specie cristalline della superficie del substrato poroso dopo l'alta temperatura, la reazione di condensazione tra i gruppi e i grani di zeolite combinati per formare legami covalenti. Tuttavia, il metodo è in qualche modo limitato perché la membrana filtrante non resiste alle alte temperature.
Fig. 10 Sintesi schematica di un film MOF: Film PSS@ZIF-8
6.3 Applicazione specializzata nella rimozione dei metalli pesanti
Oltre alle applicazioni funzionali simili ad altri tipi di membrane filtranti, le membrane MOF possono essere applicate al trattamento degli ioni di metalli pesanti. Le membrane MOF hanno una struttura porosa altamente ordinata formata da ioni metallici e ligandi organici attraverso il legame chimico dei ligandi. Questa struttura porosa ha un diametro e una dimensione dei pori regolabili, fornendo molti siti e canali di adsorbimento, favorevoli all'adsorbimento e all'incorporazione di ioni di metalli pesanti. Ciò consente di utilizzare i film MOF nel campo del trattamento delle acque, ad esempio per la rimozione di ioni metallici pesanti inquinanti, come piombo, cadmio e mercurio, dalle acque sotterranee, dalle acque reflue industriali e dalle acque reflue municipali. Le dimensioni altamente controllabili dei pori e la funzionalizzazione della superficie dei film MOF consentono un efficiente adsorbimento e la separazione selettiva di specifici ioni di metalli pesanti. Svolgono inoltre un ruolo nel trattamento di adsorbimento e recupero per la bonifica ambientale e i processi di trattamento delle acque reflue. I film MOF possono realizzare un'efficiente cattura e recupero dei metalli target durante l'adsorbimento degli ioni di metalli pesanti. Attraverso adeguati metodi di post-trattamento, gli ioni di metalli pesanti adsorbiti possono essere desorbiti dal film MOF, realizzando un efficace recupero e riutilizzo delle risorse metalliche.
7 Membrana filtrante composita
Le membrane filtranti composite sono diverse dalle tradizionali membrane filtranti monomateriale in quanto combinano due o più materiali per sfruttare appieno i rispettivi punti di forza e compensare le rispettive carenze, ottenendo così una filtrazione più efficiente e affidabile. Questi materiali possono essere polimeri, ceramiche, metalli, nanomateriali, ecc. Ogni materiale ha proprietà fisiche, chimiche e meccaniche uniche e può essere combinato in modo flessibile in base ai diversi requisiti di filtrazione.
Nelle batterie agli ioni di litio, una membrana composita PVDF-MOF con uno strato continuo di MOF funge da diaframma ad alte prestazioni. La struttura uniforme dei pori e i canali subnano con siti metallici aperti collegati nello strato MOF continuo possono generare un flusso di Li+ uniformemente distribuito, inibire la formazione di protrusioni dendritiche e migliorare le prestazioni elettrochimiche.
Fig. 11 Separatore composito PVDF-MOF con strato continuo di MOF [5]
Nel campo della desalinizzazione dell'acqua di mare, la distillazione a membrana (MD) è emersa come una strategia alternativa di desalinizzazione dell'acqua di mare in grado di ridurre ampiamente i costi di capitale e il consumo energetico. Nel processo MD, quasi il 100% dei componenti non volatili viene rimosso e non vi è alcuna limitazione sulla concentrazione dell'acqua di alimentazione, mentre il processo di osmosi inversa a pressione (RO) ha un potenziale minore per il trattamento di soluzioni ad alta salinità con un basso recupero di acqua. I componenti volatili vengono separati dalla miscela di alimentazione utilizzando una membrana idrofobica microporosa e il sistema funziona al di sotto del punto di ebollizione del liquido di alimentazione. Per le applicazioni MD, spesso si preferiscono materiali polimerici con bassa energia superficiale, elevata stabilità termica, chimica e inerzia. Il politetrafluoroetilene (PTFE) e il fluoruro di polivinilidene (PVDF) sono considerati i principali materiali di membrana disponibili in commercio per la distillazione a membrana sotto vuoto (VMD), grazie alla loro elevata stabilità termica e idrofobicità. Il PVDF e il PTFE sono i polimeri ottimali per le applicazioni VMD grazie alla loro eccellente resistenza chimica e durata. Queste proprietà consentono al PVDF di resistere agli ambienti chimici aggressivi che spesso si incontrano nei sistemi VMD, garantendo un'affidabilità operativa a lungo termine. Il PTFE, invece, svolge un ruolo fondamentale grazie alle sue proprietà antiaderenti e all'eccellente resistenza alle alte temperature. Nei sistemi VMD, il PTFE contribuisce a migliorare le prestazioni della membrana e previene efficacemente le incrostazioni, assicurando così un trasporto efficiente e senza ostacoli del vapore attraverso la membrana durante la distillazione. Nelle applicazioni VMD, l'uso sinergico di PVDF e PTFE migliora la durata, la resistenza chimica e l'efficienza operativa dell'intero sistema di membrane.
Fig. 12 Diagramma di flusso sulla preparazione della membrana composita microporosa PVDF-PTFE [6]
8 Conclusioni
Le membrane filtranti realizzate con diversi materiali sono utilizzate in diversi campi grazie alle loro diverse caratteristiche e possono essere selezionate in base a diverse esigenze oltre al processo di filtrazione di base. Le membrane in PVDF possono essere utilizzate per filtrare microrganismi come i batteri e per la purificazione dei materiali nella produzione chimica; le membrane in ceramica sono utilizzate soprattutto nell'industria alimentare per la separazione delle bevande alcoliche; le membrane in nanotubi di biossido di titanio possono essere utilizzate per applicazioni correlate e per il trattamento degli ioni di metalli pesanti grazie alle loro proprietà fotocatalitiche; le membrane di ossido di grafene possono essere utilizzate per la separazione molecolare, oltre che per la desalinizzazione dell'acqua di mare e la separazione di olio e acqua; i nanotubi di carbonio possono essere utilizzati come membrane per l'osmosi inversa; le membrane MOF possono essere utilizzate per separare selettivamente gli ioni di metalli pesanti grazie alla natura dei composti di coordinazione. Inoltre, in base alle esigenze dei diversi scenari applicativi, è possibile utilizzare diversi tipi di membrane di filtrazione in combinazione tra loro, e il tipo di membrana composita può ottenere un migliore effetto di filtrazione integrando le caratteristiche di diversi tipi di membrane di filtrazione materiali. Stanford Advanced Materials (SAM) non solo è in grado di fornire un'ampia gamma di prodotti a membrana di filtrazione, ma anche di offrire una consulenza professionale per la scelta, che potrete consultare immediatamente.
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Riferimenti:
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