Il gruppo di ricerca del professor Matsuyama Hideto presso il Centro di ricerca per la tecnologia delle membrane e dei film dell'Università di Kobe ha sviluppato con successo una nuova membrana di desalinizzazione. Hanno raggiunto questo obiettivo laminando un materiale di carbonio bidimensionale sulla superficie di una membrana polimerica porosa.

Le membrane di desalinizzazione vengono utilizzate per produrre acqua dolce dall'acqua di mare. Per risolvere il problema mondiale delle risorse insufficienti di acqua dolce, i ricercatori stanno cercando di sviluppare membrane di desalinizzazione che non solo siano permeate dall'acqua più velocemente di quelle attualmente in uso, ma rimuovano anche il sale in modo efficiente, in modo che più efficace, possono essere implementati sistemi di desalinizzazione a basso consumo energetico.

In questo studio di ricerca, nanofogli di ossido di grafene, che sono un tipo di nanomateriale bidimensionale, sono stati impilati sulla superficie di una membrana porosa dopo aver ricevuto un trattamento di riduzione chimica, consentendo di sviluppare uno strato di membrana di desalinizzazione di circa 50 nanometri (nm). La membrana sviluppata ha il potenziale per eseguire una desalinizzazione altamente efficiente perché è possibile controllare gli spazi tra i suoi nanofogli e la carica sulle superfici dei nanofogli. Si spera che questa ricerca possa contribuire all'applicazione e all'implementazione di membrane di desalinizzazione futuristiche.

Questi risultati della ricerca sono stati pubblicati in Journal of Materials Chemistry A il 18 novembre, 2020.

Punti principali

• I ricercatori hanno sviluppato con successo una nuova membrana di desalinizzazione utilizzando nanofogli bidimensionali.
• Il trattamento di riduzione chimica dei nanofogli di ossido di grafene ha rafforzato l'impilamento π- tra i nanofogli.
• L'impilamento π-π ha migliorato la stabilità della membrana laminata con nanofoglio e ha reso possibile manipolare lo spazio interstrato tra ciascun nanofoglio.
• Tra i nanosheet sono state introdotte molecole planari a base di porfirina con gruppi carichi e un sistema π coniugato. Ciò ha provocato repulsione elettrostatica tra l'ossido di grafene e la carica negativa del composto planare, consentendo ai ricercatori di controllare il movimento degli anioni all'interno dei nanocanali.
• La membrana laminata con nanofoglio sviluppata attraverso questa ricerca è stata in grado di respingere la permeazione di cloruro di sodio (NaCl) del 95%. Nel futuro, questi risultati della ricerca possono contribuire alla creazione di nuovi, tecnologie a membrana ad alte prestazioni per la desalinizzazione.

Background di ricerca

Il 97,5% dell'acqua sulla Terra è acqua di mare e solo il 2,5% è acqua dolce. All'interno di questa percentuale, solo lo 0,01% delle risorse di acqua dolce può essere facilmente trattato per essere utilizzato dall'umanità. Però, la popolazione umana continua ad aumentare ogni anno. Di conseguenza, è stato previsto che tra diversi anni, due terzi della popolazione mondiale avrà un accesso insufficiente all'acqua dolce. La scarsità d'acqua in tutto il mondo è uno dei problemi più gravi che l'umanità deve affrontare. Perciò, le tecnologie che possono ottenere le risorse necessarie convertendo l'abbondante acqua di mare della Terra in acqua dolce sono fondamentali.

I metodi di evaporazione sono stati utilizzati per convertire l'acqua di mare in acqua dolce, tuttavia richiedono grandi quantità di energia per far evaporare l'acqua di mare e rimuovere il sale (desalinizzazione). D'altra parte, i metodi di separazione a membrana forniscono un'alternativa a bassa energia; consentono di produrre acqua dolce filtrando l'acqua dall'acqua di mare e rimuovendo il sale. Sono stati implementati metodi per produrre acqua dolce dall'acqua di mare utilizzando membrane, tuttavia con le membrane di dissalazione sviluppate finora c'è sempre un compromesso tra velocità di permeazione e capacità di dissalazione. Perciò, è fondamentale sviluppare una membrana di desalinizzazione rivoluzionaria da nuovi materiali per risolvere questo compromesso e rendere possibile la desalinizzazione dell'acqua di mare a un tasso di efficienza più elevato.

Metodologia di ricerca

Questo team di ricerca ha sviluppato una membrana di desalinizzazione altamente funzionale laminando la membrana con un materiale di carbonio bidimensionale dello spessore approssimativo di un atomo di carbonio. Questi materiali di carbonio 2-D erano nanofogli di ossido di grafene che sono stati ridotti chimicamente per conferire loro un'interazione π-π rafforzata.

Applicando rivestimenti di nanofogli con intercalazione di molecole planari a base di porfirina (con gruppi carichi e un sistema π coniugato) alla superficie di una membrana porosa, il gruppo di ricerca è stato in grado di costruire uno strato di membrana di desalinizzazione ultrasottile di circa 50 nm di spessore.

Questo strato ha dimostrato un'elevata funzionalità di blocco degli ioni perché la dimensione dei nanocanali (gli spazi tra ciascun nanofoglio) potrebbe essere controllata entro 1 nm. Per di più, gli spazi tra i nanocanali nella membrana laminata con nanofoglio hanno dimostrato una stabilità all'acqua continua grazie al forte impilamento π- tra i fogli, suggerendo la possibilità che possa essere utilizzato per un lungo periodo di tempo. Inoltre, non si è verificata alcuna perdita di funzionalità di desalinizzazione anche sotto una pressione di 20 bar.

I ricercatori hanno rivelato che il trasferimento di ioni all'interno della membrana laminata con nanofoglio sviluppato è stato efficacemente soppresso dalla repulsione elettrostatica sulla superficie del nanofoglio. Questa repulsione elettrostatica è stata molto efficace quando la larghezza dei nanocanali è stata opportunamente controllata. Per il materiale nanosheet utilizzato in questo studio, la larghezza dei nanocanali potrebbe essere confinata controllando il processo di riduzione chimica e il rapporto di intercalazione delle molecole planari a base di porfirina.

NaCl è il componente principale degli ioni dell'acqua di mare ed è particolarmente difficile impedire che permei la membrana. Però, una membrana laminata con nanofoglio prodotta in condizioni ottimali è stata in grado di bloccare circa il 95% di NaCl.

Ulteriori sviluppi

La membrana laminata nanosheet 2-D sviluppata attraverso questa ricerca è stata prodotta regolando la riduzione del foglio di grafene ossidato e il rapporto di intercalazione delle molecole planari, che a sua volta ha permesso di controllare sia lo spazio interstrato tra i nanofogli che l'effetto di repulsione elettrostatica. Oltre alle membrane di desalinizzazione, questa tecnica può essere applicata anche allo sviluppo di varie membrane per la separazione di elettroliti.

Le tecnologie di desalinizzazione a basso consumo energetico che utilizzano membrane di separazione sono indispensabili per ridurre le carenze idriche. Si spera che la tecnologia contribuirà a risolvere il problema dell'inaridimento delle risorse idriche in tutto il mondo. Prossimo, il team di ricerca cercherà di migliorare ulteriormente l'elevata funzionalità della membrana sviluppata, in modo che possa essere implementato.