[ad_1]
(Foco Nanowerk) La creciente crisis mundial del agua plantea una grave amenaza para la salud humana en todo el mundo. A medida que aumenta la contaminación del agua por contaminantes tóxicos como colorantes, metales pesados y compuestos orgánicos volátiles, se necesitan soluciones innovadoras para tratar y purificar el agua para uso humano y remediación ambiental. La filtración basada en membranas se ha mostrado prometedora, pero los materiales actuales tienen limitaciones en cuanto a estabilidad, costo y rango de eliminación de contaminantes.
Ahora, investigadores de la Universidad de Wuhan y la Universidad de Purdue han desarrollado una nueva membrana híbrida que integra grafeno y estructuras metal-orgánicas (MOF) para superar estos desafíos. Sus resultados, publicados en Materiales funcionales avanzados (“Membranas de tamizado multinivel sinérgicas: integración del esqueleto celular de grafeno con nanocapa de MOF continua para una separación superior de agua multifase”) demuestran una membrana de MOF de grafeno que puede tamizar de manera eficiente una amplia gama de contaminantes del agua mientras permanece estable en condiciones de filtración.
El tratamiento de agua a base de membranas utiliza películas porosas para filtrar contaminantes y purificar el agua mediante un cribado selectivo. Los MOF, una clase de nanomateriales porosos, demuestran impresionantes capacidades de tamizado molecular, pero su aplicación se ha visto limitada por un rango de tamizado limitado, la inestabilidad de la solución y requisitos de procesamiento complejos. El grafeno ofrece una alta absorción y transmitancia solar, pero carece de la capacidad de tamizado selectivo de los MOF.
El nuevo estudio aborda estas limitaciones integrando grafeno inducido por láser (LIG) y capas continuas de MOF en una membrana híbrida robusta. La fabricación de LIG utiliza un láser de femtosegundo para inducir la formación de grafeno dentro de una película de polímero comercial, creando un «esqueleto de grafeno» (MGKS) de múltiples niveles con micro/nanoporos que es ideal para el tratamiento del agua. Luego, los investigadores cultivaron una nanocapa continua de partículas MOF (ZIF-8) dentro del marco LIG utilizando síntesis hidrotermal in situ. La membrana multicapa resultante combina las fortalezas de ambos materiales: LIG proporciona una columna vertebral estable con excelente absorción solar y permeabilidad al agua, mientras que la capa MOF permite un tamizado molecular preciso.
El MGKS resultante tiene micro y nanoporos ordenados en su superficie, que son cruciales para el tamizado molecular selectivo. El láser también crea listones escalonados en la parte inferior, lo que permite un flujo de agua multifásico eficiente. Para mejorar la estabilidad del grafeno en condiciones de filtración, los investigadores cultivaron una nanocapa continua de MOF ZIF-8 en todo el esqueleto mediante nucleación in situ e intercambio de ligandos. La síntesis personalizada de ZIF-8 dio como resultado nanoporos más pequeños que ayudan a tamizar impurezas más pequeñas.
Esta membrana híbrida de grafeno-MOF utiliza una estrategia de tamizado de múltiples niveles y tamaños de poros. La red de grafeno del tamaño de una micra absorbe aceites y moléculas grandes. Sus nanoporos de 10 nm proporcionan una gran superficie para capturar contaminantes. Los grupos funcionales integrados, como los grupos hidroxilo y carboxilo, reducen los iones de metales pesados en el agua de alimentación. Finalmente, los poros ultrapequeños de ZIF-8 de 0,34 nm filtran los compuestos orgánicos volátiles y permiten el paso del agua.
Una rigurosa caracterización del material validó la composición y las propiedades de la membrana híbrida. Las pruebas demostraron que la estructura LIG optimizada tenía la alta cristalinidad y la estabilidad térmica necesarias para el uso en el mundo real. La capa de MOF rellenó los defectos de la estructura de grafeno, mejorando la integridad de la membrana. Estos resultados indican que la membrana puede mantener su rendimiento incluso en las duras condiciones del tratamiento de agua industrial.
Las pruebas confirmaron el desempeño de la membrana en la generación de vapor solar y la eliminación de contaminantes. Logró una absorción excepcional de la luz solar y una eficiencia de evaporación de referencia del 90% bajo irradiancia variable, mientras filtraba eficazmente cuatro iones de metales pesados por debajo de los estándares del agua potable. La capa ZIF-8 también atrapó completamente los tintes orgánicos y eliminó significativamente los disolventes orgánicos volátiles.
En la filtración de líquidos impulsada por presión, las propiedades hidrófobas y lipófilas de la membrana permitieron la separación de agua y aceite. Al filtrar una mezcla de aceite y agua, se adsorbe toda la fracción de aceite. Aunque es menos eficiente que la filtración con energía solar, la operación impulsada por presión aún reduce significativamente los compuestos orgánicos volátiles, los metales pesados y los colorantes.
En general, la estabilidad del esqueleto de grafeno optimizado y el tamizado selectivo de ZIF-8 dieron como resultado la eliminación de una amplia gama de contaminantes del agua. Esto supera las limitaciones de las membranas MOF y de grafeno anteriores por sí solas. El sencillo método de fabricación también permite una producción escalable.
Esta investigación allana el camino hacia una nueva e interesante dirección en la tecnología de membranas. El sencillo método de fabricación LIG-MOF y su rendimiento excepcional abren la posibilidad de que los híbridos grafeno/MOF cumplan su promesa en la purificación de agua en el mundo real. Si bien persisten algunas limitaciones, particularmente para aplicaciones en fase líquida, los resultados con energía solar son extremadamente prometedores.
Con una mayor optimización, el enfoque podría ampliar las opciones de tratamiento del agua y permitir el uso sostenible de fuentes no tradicionales. Como señalan los autores, ajustar los parámetros del láser y la selección de MOF proporciona flexibilidad para adaptar la estructura de la membrana a las aplicaciones deseadas. La escalabilidad del proceso también es una gran ventaja sobre las técnicas tradicionales de fabricación de nanomateriales.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de autores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o le gustaría compartir otros desarrollos interesantes con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
[ad_2]