Мембрана из нанотрубок - Nanotube membrane

Не путать с мембранная нанотрубка.
Часть серия статей о
Нанотехнологии
Влияние и Приложения
Наноматериалы
Молекулярная самосборка
Наноэлектроника
Нанометрология
Молекулярная нанотехнология
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Мембрана из нанотрубокs либо одиночные, открытые нанотрубка (CNT) или пленка, состоящая из массива нанотрубок, ориентированных перпендикулярно поверхности непроницаемой пленочной матрицы, как ячейки соты. «Непроницаемость» здесь важна, чтобы отличить мембрану из нанотрубок от традиционных, хорошо известных пористых мембран. Молекулы жидкости и газа могут массово проходить через мембрану, но только через нанотрубки. Например, молекулы воды образуют упорядоченные водородные связи, которые действуют как цепочки, проходя через УНТ. Это приводит к почти без трения или атомарно гладкой границе раздела между нанотрубками и водой, что связано с «длиной скольжения» гидрофобной границы раздела. Такие свойства, как длина проскальзывания, которые описывают неконтинуальное поведение воды внутри стенок поры, не принимаются во внимание в простых гидродинамических системах и отсутствуют в Уравнение Хагена – Пуазейля. Молекулярно-динамическое моделирование лучше охарактеризовать поток молекул воды через углеродные нанотрубки с различной формой уравнения Хагена – Пуазейля, учитывающего длину проскальзывания.[1][2]

О переносе частиц полистирола (диаметром 60 и 100 нм) через однотрубные мембраны (150 нм) сообщалось в 2000 году.[3] Вскоре были изготовлены и исследованы ансамблевые мембраны, состоящие из многостенных и двустенных углеродных нанотрубок.[4] Было показано, что вода может проходить через ядра графитовых нанотрубок мембраны на величину до пяти больших, чем предсказывает классическая гидродинамика с помощью уравнения Хагена-Пуазейля, как для многостенных трубок (внутренний диаметр 7 нм).[5] и двустенные трубки (внутренний диаметр <2 нм).[6]

В экспериментах Холта и другие.,[6] чистая вода (~ 1,0020 сП вязкость ) транспортировался через три образца двустенных углеродных нанотрубок в матрице нитрида кремния с различными потоками мембран и толщиной. Было обнаружено, что эти мембраны имеют увеличенный поток, который был более чем на три порядка величины быстрее, чем ожидалось для гидродинамического потока без проскальзывания, рассчитанного по уравнению Хагена – Пуазейля. Эти результаты для нанотрубок с диаметром пор 1-2 нм соответствуют примерно 10-40 молекул воды на нм.2 за наносекунду. В аналогичном эксперименте Майнака Маджумдера и другие.,[5] нанотрубки диаметром около 7 нм в твердом полистироле были протестированы на их скорости жидкости. Эти результаты также показали, что нанотрубки имеют длинные плоскости скольжения, а скорость потока оказалась на четыре-пять порядков выше, чем обычные предсказания потока жидкости.

Кроме того, было продемонстрировано, что поток воды через мембраны из углеродных нанотрубок (без матрицы-наполнителя, следовательно, поток на внешней поверхности УНТ) можно контролировать с помощью приложения электрического тока.[7] Среди многих потенциальное использование то, что мембраны из нанотрубок могут однажды быть использованы, является опреснение воды.

Mitra et al. (8-14) разработал новую архитектуру в производстве мембран на основе УНТ. Этот метод создает превосходную мембрану за счет иммобилизации углеродных нанотрубок в порах и на поверхности мембраны. В своей работе УНТ иммобилизуются в полимерные или керамические мембраны, что приводит к развитию уникальной мембранной структуры, известной как иммобилизованная мембрана из углеродных нанотрубок (CNIM). Это было достигнуто путем иммобилизации УНТ из дисперсной формы. Такие мембраны прочны, термически стабильны и обладают высокой селективностью. Цель здесь - иммобилизовать УНТ таким образом, чтобы их поверхности могли напрямую взаимодействовать с растворенным веществом. Мембрана, изготовленная этим методом, показала резкое улучшение потока и селективности в различных применениях, таких как опреснение морской воды (8,9), мембранная экстракция (10), очистка воды удалением из воды летучих органических веществ (11) и микромасштабной мембранной экстракции для анализа загрязнителей воды (12-14).

В 2016 году впервые были представлены крупноформатные промышленные мембраны из УНТ. Первоначально эти мембраны производились в виде плоских листов, подобных тем, которые ранее производились в исследовательских лабораториях, но в гораздо большем масштабе. В 2017 году компания объявила о разработке мембраны из полых волокон из УНТ с нанотрубками, ориентированными радиально перпендикулярно поверхности мембраны, чего раньше никогда не было. [8].

Во всех случаях УНТ служат уникальными порами, которые увеличивают массоперенос через мембрану, выбирая их на основе размера или химического сродства. Например, в случае опреснения УНТ усиливают перенос воды, блокируя или уменьшая перенос солей в зависимости от размера ионов гидратированных солей. В случае удаления органических веществ, например, при очистке воды, первапорации и экстракции, мембраны из УНТ предпочтительно проникают в органические вещества, что позволяет проводить разделение, которое ранее было возможно только с использованием таких методов, как дистилляция. Одним из примеров разделения органических веществ и воды является отделение этанола от воды, применение, в котором мембраны УНТ демонстрируют почти идеальную селективность для транспортировки этанола. [9][10].

Измерение нанопор в трековой мембране

С момента открытия технологии трекового травления в конце 1960-х годов фильтрующие мембраны необходимого диаметра нашли потенциальное применение в различных областях, включая безопасность пищевых продуктов, загрязнение окружающей среды, биологию, медицину, топливные элементы и химию. Эти трековые мембраны обычно изготавливаются в полимерной мембране посредством процедуры трекового травления, во время которой полимерная мембрана сначала облучается пучком тяжелых ионов для образования треков, а затем после влажного травления вдоль трека образуются цилиндрические поры или асимметричные поры.

Не менее важным, чем изготовление фильтрующих мембран, является определение характеристик и измерение пор в мембране. До сих пор было разработано несколько методов, которые можно разделить на следующие категории в соответствии с используемыми физическими механизмами: методы визуализации, такие как сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM), атомно-силовая микроскопия (AFM). ); транспортировка жидкости, такая как точка кипения и транспортировка газа; адсорбция жидкости, такая как адсорбция / десорбция азота (BEH), порозиметрия ртути, равновесие жидкость-пар (BJH), равновесие газ-жидкость (пермопорометрия) и равновесие жидкость-твердое тело (термопорометрия); электронная проводимость; ультразвуковая спектроскопия; 19 Молекулярный транспорт.

Совсем недавно использование техники светопропускания [11] в качестве метода измерения размера нанопор.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Hummer, G .; Rasaiah, J.C .; Новорита, Дж. П. (2001). «Проведение воды через гидрофобный канал углеродной нанотрубки». Природа. 414 (6860): 188–90. Bibcode:2001Натура.414..188H. Дои:10.1038/35102535. PMID  11700553.
  2. ^ Sholl, D. S .; Джонсон, Дж. К. (2006). «Изготовление высокопоточных мембран из углеродных нанотрубок». Наука. 312 (5776): 1003–4. Дои:10.1126 / science.1127261. PMID  16709770.
  3. ^ Ли Сун и Ричард М. Крукс (2000). «Одноуглеродные мембраны из нанотрубок: хорошо определенная модель для изучения переноса массы через нанопористые материалы». Варенье. Chem. Soc. 122 (49): 12340–12345. Дои:10.1021 / ja002429w.
  4. ^ Hinds, B.J .; Чопра, N; Рантелл, Т; Эндрюс, Р. Гавалас, В; Бачас, LG (2004). «Согласованные многослойные мембраны из углеродных нанотрубок». Наука. 303 (5654): 62–5. Bibcode:2004Наука ... 303 ... 62H. Дои:10.1126 / science.1092048. PMID  14645855.
  5. ^ а б Маджумдер, Майнак; Чопра, Нитин; Эндрюс, Родни; Хайндс, Брюс Дж. (2005). «Наноразмерная гидродинамика: усиленный поток в углеродных нанотрубках». Природа. 438 (7064): 44. Bibcode:2005Натура 438 ... 44М. Дои:10.1038 / 438044a. PMID  16267546. Сложить резюме.
  6. ^ а б Holt, J. K .; Парк, HG; Ван, Y; Штадерманн, М; Артюхин А.Б .; Григоропулос, CP; Ной, А; Бакаджин, О. (2006). «Быстрый перенос массы через углеродные нанотрубки размером менее 2 нанометров». Наука. 312 (5776): 1034–7. Bibcode:2006Научный ... 312.1034H. Дои:10.1126 / science.1126298. PMID  16709781. Сложить резюме.
  7. ^ Ван, Зуанкай; Ci, Lijie; Чен, Ли; Наяк, Сародж; Ajayan, Pulickel M .; Кораткар, Нихил (2007). "Зависящий от полярности электрохимически контролируемый перенос воды через мембраны из углеродных нанотрубок". Nano Lett. 7 (3): 697–702. Bibcode:2007NanoL ... 7..697Вт. Дои:10.1021 / nl062853g. PMID  17295548. Сложить резюме.
  8. ^ "(363d) Радиально ориентированные мембраны из полых волокон из углеродных нанотрубок | AIChE". www.aiche.org. Получено 2020-01-23.
  9. ^ Gravelle, Саймон; Ёсида, Хироаки; Джоли, Лоран; Иберт, Кристоф; Боке, Лидерик (27.09.2016). «Углеродные мембраны для эффективного разделения воды и этанола» (PDF). Журнал химической физики. 145 (12): 124708. Дои:10.1063/1.4963098. ISSN  0021-9606. PMID  27782663.
  10. ^ Винарто; Такайва, Дайсуке; Ямамото, Эйдзи; Ясуока, Кендзи (2016). «Разделение водно-этанольных растворов углеродными нанотрубками и электрическими полями». Физическая химия Химическая физика. 18 (48): 33310–33319. Дои:10.1039 / C6CP06731J. PMID  27897278.
  11. ^ Ли Ян; Цинфэн Чжай; Гуйцзюань Ли; Хун Цзян; Лей Хан; Цзяхай Ван; Эркан Ван (октябрь 2013 г.). «Техника передачи света для измерения размера пор в мембранах с трековым травлением». Химические коммуникации. 49 (97): 11415–7. Дои:10.1039 / c3cc45841e. PMID  24169442.


8.: «Мембранная дистилляция с усилением углеродных нанотрубок для одновременного получения чистой воды и концентрирования фармацевтических отходов». Кен Гетард, Орнтида Сае-Хоу, Соменат Митра. 90, 239-245,. Технология разделения и очистки. 2012 г.

9.::: «Опреснение воды с использованием мембранной дистилляции с усилением углеродных нанотрубок». Кен Гетард, Орнтида Сае-Хоу, Соменат Митра. Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 2011, 3, 110–114.

10.::: «Одновременное извлечение и концентрирование в мембранах из полого волокна с иммобилизованными углеродными нанотрубками». Орнтида Сае-Хоу и Соменат Митра. Анальный. Chem. 2010, 82 (13), 5561-5567.

11.::: «Мембраны из композитных полых волокон с иммобилизованными углеродными нанотрубками для первапоративного удаления летучих органических веществ из воды». Орнтида Сае-Хоу и Соменат Митра. J. Phys. Chem. С. 2010, 114,16351-16356.

12.::: «Изготовление и определение характеристик углеродных нанотрубок с иммобилизованными пористыми полимерными мембранами». Орнтида Сае-Хоу и Соменат Митра. J. Mater. Chem., 2009, 19 (22), 3713-3718.

13. :: "Микромасштабная мембранная экстракция с использованием углеродных нанотрубок". К. Хилтон, Ю. Чен, С. Митра, J. ​​Chromatogr. A., 2008, 1211, 43-48.

14. :: "Полярные мембраны с иммобилизованными углеродными нанотрубками для улучшенного извлечения полярных аналитов". Мадхулина. Бхадра, Somenath. Mitra. Analyst. 2012, 137, 4464-4468.