Preparazione controllabile del sandwich ultrasottile

Jan 21, 2024

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14961 (2015) Citare questo articolo

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Le membrane basate su strutture organiche porose (POF) hanno potenziali applicazioni nella filtrazione molecolare, nonostante la mancanza di uno studio corrispondente. Questo studio riporta un'interessante strategia per ottenere la dispersione di POF processabili e un nuovo design di membrana ultrasottile a sandwich. Si è scoperto casualmente che gli agglomerati di POF idrofobici a base di Schiff ricchi di N potevano reagire con litio-etilammina e formare una dispersione stabile in acqua. Filtrando successivamente la dispersione di POF ottenuta e l'ossido di grafene (GO), abbiamo preparato con successo membrane ibride ultrasottili a sandwich con struttura a strati, che hanno mostrato un'efficienza di separazione significativamente migliorata nella filtrazione molecolare dei coloranti organici. Questo studio può fornire un modo universale per la preparazione di POF processabili e delle loro membrane ibride con GO.

La combinazione di adsorbimento e filtrazione è un modo efficiente per realizzare la separazione molecolare per varie applicazioni con i vantaggi di un basso consumo energetico e di un funzionamento semplice1,2,3. Molti materiali nanoporosi ben noti come zeoliti e strutture metallo-organiche (MOF) sono stati utilizzati nei processi di separazione molecolare4,5,6. Come controparte non metallica dei MOF, le strutture organiche porose (POF) sono formate dalla reticolazione covalente di diverse frazioni organiche. La loro nanostruttura organica pura, le dimensioni dei pori regolabili e l'elevata permeabilità e stabilità conferiscono ai POF una grande promessa per applicazioni nella separazione molecolare7,8, in particolare per la purificazione dell'acqua sensibile alla contaminazione da metalli. Tuttavia, studi corrispondenti sono stati ostacolati dalla sua intrinseca proprietà idrofobica e dalla natura di agglomerazione. Di conseguenza, la separazione per adsorbimento utilizzando POF puri veniva solitamente condotta nella condizione batch, che richiedeva tempo ed energia, il che non è adatto per applicazioni pratiche. Pertanto, è desiderabile assemblare i POF in membrane idrofile per la separazione molecolare rapida ed economica.

D'altra parte, i meccanismi di separazione della membrana adsorbente si basano principalmente sull'interazione tra le molecole e gli adsorbenti, compreso l'adsorbimento elettrostatico, l'adsorbimento per affinità e così via9. Nonostante l'interazione possa essere influenzata da molti fattori (a seconda degli specifici meccanismi coinvolti), aumentare la lunghezza effettiva del percorso della membrana è una strategia comune per migliorare l'efficienza della separazione10. Per una stessa membrana, tuttavia, l'aumento dello spessore della membrana comporterà un inevitabile aumento dei costi, un'evidente diminuzione dell'utilizzo dei siti di adsorbimento, nonché una grande perdita di flusso e filtrato.

Ispirandoci alle membrane di ossido di grafene (GO)11,12,13,14,15, proponiamo con la presente un design a membrana ultrasottile a sandwich (Fig. 1a), che può contemporaneamente aumentare l'efficienza di separazione e l'utilizzo dei siti di adsorbimento. La nostra dimostrazione di prova di concetto si basa sull'uso di POF processabili basati su Schiff (SWN) ricchi di N (Fig. 1b) come assorbente e nanofogli GO come strati di intervallo bidimensionali (2D). In questa membrana ibrida a sandwich, i canali microfluidici orizzontali costruiti dal GO possono aumentare significativamente il percorso di separazione effettivo nella matrice POF senza aumentarne il carico e lo spessore. In particolare, durante la filtrazione molecolare, la membrana ibrida mostra un'efficienza di separazione (Fig. 1c,d) e una stabilità significativamente migliori, che sono altamente desiderate nel processo di filtrazione molecolare guidato dalla pressione.

(a) Illustrazione per la preparazione della membrana a sandwich. (b) Foto digitale di P-SWN e dispersione di SWN incontaminata con concentrazione di ~ 0,5 mg mL−1. (c) Foto digitale di una membrana ibrida su supporto in PTFE. (d) Foto digitali delle apparecchiature di filtrazione e delle soluzioni MO (10 mg L−1) prima e dopo la filtrazione.