Una collaborazione internazionale guidata dai ricercatori della Kobe University ha sviluppato con successo una membrana fotocatalitica laminata con nanofoglio che dimostra sia un'eccellente permeabilità all'acqua che un'attività fotocatalitica. Le proprietà fotocatalitiche della membrana facilitano la pulizia poiché l'irradiazione della membrana con la luce riduce efficacemente le incrostazioni. Hanno sviluppato questa membrana laminando nanomateriali 2D (nanosheet) su un supporto poroso.

Questa rivoluzionaria tecnologia a membrana può essere applicata alla purificazione dell'acqua e quindi ha il potenziale per contribuire ad affrontare le questioni ambientali ed energetiche globali, contribuendo a garantire forniture di acqua potabile sicure ed energia pulita. Si spera che ciò acceleri il passaggio a società sostenibili e a emissioni di carbonio neutre.

Questo sviluppo è stato realizzato da un gruppo di ricerca presso la Graduate School of Science, Technology and Innovation/Research Center for Membrane and Film Technology dell'Università di Kobe (il professor NAKAGAWA Keizo, il professor YOSHIOKA Tomohisa e il professor MATSUYAMA Hideto) in collaborazione con il professor TACHIKAWA Takashi dell'Università di Kobe Molecular Photoscience Research Center, Professore Associato Chechia Hu della National Taiwan University of Science &Technology e Professor Shik Chi Edman Tsang dell'Università di Oxford.

I risultati sono stati pubblicati per la prima volta nel Chemical Engineering Journal il 7 aprile 2022.

Un accesso adeguato all'acqua in molte regioni del mondo sta diventando un problema crescente di fronte al cambiamento climatico globale e al forte aumento della popolazione e della crescita economica dei paesi in via di sviluppo. È stato riferito che due terzi della popolazione mondiale soffriranno di carenza idrica entro il 2025. Per prevenire queste gravi carenze idriche, l'adozione diffusa di tecnologie di riciclaggio e purificazione dell'acqua, nonché l'uso efficiente delle tecnologie di produzione dell'acqua (ad esempio la desalinizzazione dell'acqua di mare), sono fondamentali.

Il metodo di filtrazione a membrana è attualmente utilizzato in 900 impianti di depurazione dell'acqua perché fornisce acqua di buona qualità in modo continuo e stabile. Tuttavia, c'è il problema dell'incrostazione della membrana in cui la membrana, che separa e rimuove i contaminanti dall'acqua, si intasa. Quando si verifica l'incrostazione della membrana, non è più possibile ottenere la quantità necessaria di acqua trattata. Pertanto, è necessario lavare o sostituire la membrana. Per affrontare questo problema, sono state condotte molte ricerche sui vari metodi di prevenzione delle incrostazioni, tuttavia non è stata ancora trovata una soluzione sufficiente.

È stato proposto un metodo che richiede meno energia e ha un basso impatto ambientale. Ciò comporta l'introduzione di un materiale fotocatalitico (come il titania) nella membrana e la rimozione degli inquinanti tramite la fotocatalisi. Tuttavia, oltre a essere in grado di trattare l'acqua, tale membrana deve anche dimostrare una reattività alla luce visibile e un'elevata attività fotocatalitica. Ciò richiede al progettista di considerare il design della membrana da molteplici prospettive, inclusi il materiale e la struttura della membrana.

Questo gruppo di ricerca ha precedentemente sviluppato una membrana di nanofiltrazione, che funziona utilizzando canali 2D tra i suoi strati di nanosheet. Hanno sviluppato questa membrana laminando nanosheet di niobato (un tipo di nanosheet di ossido metallico, con ogni foglio spesso circa un nanometro e largo un paio di centinaia di nanometri) su una membrana di supporto porosa, che ha creato i canali 2D tra i nanosheet.

In questo studio, hanno scoperto che l'aggiunta di nanosheet di nitruro di carbonio (che ha una reattività alla luce visibile) alla membrana a strati di nanosheet di niobato ha conferito alla membrana una maggiore permeabilità all'acqua, aumentando notevolmente l'attività fotocatalitica. Inoltre, le proprietà fotocatalitiche della membrana hanno completamente rettificato il problema della riduzione della permeabilità della membrana dovuta al fouling.

Le membrane laminate con nanofoglio possono essere formate mediante semplice filtrazione sotto vuoto di materiali in nanofoglio (soluzioni colloidali) su membrane di supporto polimerico. In questo studio, il gruppo di ricerca ha prodotto una membrana ultrasottile laminata con nanofoglio di circa 100 nanometri di spessore (Figura 1a). Le misurazioni della diffrazione dei raggi X e del frazionamento del peso molecolare hanno rivelato che l'introduzione di nanosheet di nitruro di carbonio in una membrana laminata con nanosheet di niobato potrebbe controllare il diametro dei nanocanali tra gli strati.

In termini di funzionalità della membrana, la membrana di nanofiltrazione laminata con un rapporto 74:25 di niobato (HNB₃ O₈ ) nanosheet al nitruro di carbonio (g-C₃ N₄ ) nanosheet ha mantenuto le sue prestazioni di separazione dimostrando un aumento di 8 volte della permeabilità all'acqua (Figura 1b). In termini di prestazioni fotocatalitiche, l'integrazione di nanosheet di nitruro di carbonio ha consentito l'assorbimento della luce visibile. Inoltre, questa combinazione di nanosheet ha notevolmente migliorato la capacità della membrana di fotodegradare i coloranti cationici (rodamina B) (Figura 1c).

Quando la membrana composita sviluppata viene utilizzata come membrana di separazione, i nanosheet di niobato conferiscono alla membrana laminata la sua struttura, mentre il nitruro di carbonio viene introdotto tra questi strati e funge da distanziatore. Di conseguenza, i canali nella membrana laminata si espandono, aumentando notevolmente il tasso di permeazione dell'acqua (lato sinistro della Figura 2a). Il controllo della struttura del canale in questo modo consente di separare dall'acqua il 90% di un colorante (con peso molecolare di circa 1000).

La funzionalità fotocatalitica della membrana è la seguente:i nanosheet di nitruro di carbonio funzionano come fotocatalizzatori che assorbono la luce visibile e i nanosheet di niobato agiscono come promotori catalitici. Inoltre, il gruppo di ricerca ha rivelato che il controllo appropriato della struttura della banda ha consentito agli elettroni di muoversi in modo efficiente, determinando un drammatico aumento dell'attività fotocatalitica (lato destro della Figura 2a). Usando questi risultati come base, i ricercatori hanno applicato la membrana alla purificazione dell'acqua e hanno condotto un esperimento di incrostazione della membrana utilizzando l'albumina di siero bovino (BSA) come agente contaminante. Il fouling BSA ha ridotto la velocità di permeazione dell'acqua della membrana a 1/5 della sua normale prestazione. Tuttavia, i ricercatori sono riusciti a ripristinarne completamente la permeabilità irradiando la membrana composita di nanosheet (Figura 2b).

Intrecciando diversi tipi di nanofogli per formare nanocanali 2D, i ricercatori hanno sviluppato con successo una membrana che dimostra sia un'eccellente permeabilità all'acqua che un'attività fotocatalitica. Si prevede che ulteriori miglioramenti possano essere apportati alla funzionalità della membrana e all'azione fotocatalitica modificando il tipo di nanofoglio per controllare in modo più preciso la formazione di nanocanali 2D e la struttura della banda. Successivamente, i ricercatori sperano di aumentare l'area della membrana e sviluppare il processo fotocatalitico, mirando all'applicazione industriale e pratica. + Esplora ulteriormente

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