Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad de Kobe ha desarrollado con éxito una membrana laminada fotocatalítica de nanoláminas eficiente con alta permeabilidad al agua y actividad fotocatalítica. Debido a que las propiedades fotocatalíticas de la membrana reducen con éxito el ensuciamiento cuando se expone a la luz, se simplifica la limpieza.
Al unir nanomateriales 2D (nanoláminas) a un soporte poroso, los investigadores crearon esta membrana.
Esta tecnología de membrana de última generación se puede utilizar para purificar el agua, que tiene el potencial de respaldar las preocupaciones ambientales y energéticas globales al garantizar energía limpia y suministros de agua potable seguros. Se prevé que esto aceleraría la transición hacia comunidades sostenibles y neutrales en carbono.
Un equipo de investigación de la Escuela de posgrado en ciencia, tecnología e innovación/Centro de investigación de tecnología de membranas y películas de la Universidad de Kobe (profesor asociado Keizo Nakagawa, profesor Tomohisa Yoshioka y profesor Hideto Matsuyama) realizó este avance en colaboración con el profesor Takashi Tachikawa de la Universidad Molecular. Centro de Investigación de la Fotociencia.
El grupo de investigación también incluye al profesor asociado Chechia Hu de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán y al profesor Shik Chi Edman Tsang de la Universidad de Oxford.
el 7 de abrilel2022, el «Revista de ingeniería de procesos‘ publicó los resultados por primera vez.
puntos principales
Los investigadores desarrollaron con éxito una nueva membrana fotocatalítica laminada con nanoláminas que exhibe alta permeabilidad y actividad fotocatalítica.
Tanto la permeabilidad al agua como la actividad fotocatalítica mejoraron significativamente gracias a los efectos combinados de los materiales de las nanoláminas. La obstrucción de la membrana también se redujo por la propiedad fotocatalítica (ensuciamiento). Los investigadores proponen utilizar esta membrana en un proceso de purificación de agua utilizando energía renovable (luz).
fondo de investigacion
La falta de acceso adecuado al agua en muchas partes del mundo se está convirtiendo en un problema creciente debido al cambio climático, el crecimiento demográfico y la expansión económica en las economías emergentes. Se informa que para 2025 dos tercios de la población mundial se verá afectada por la escasez de agua.
La adopción generalizada de tecnologías de purificación y reciclaje de agua, así como el uso eficaz de tecnologías de recolección de agua (como la desalinización de agua salada) son esenciales para prevenir esta grave escasez de agua.
Mientras tanto, 900 plantas de tratamiento de agua utilizan el proceso de filtro de membrana porque produce agua de alta calidad de manera consistente y confiable. El ensuciamiento de la membrana, por otro lado, es un problema cuando la membrana que separa y elimina los contaminantes del agua se obstruye. Cuando ocurre el ensuciamiento de la membrana, se vuelve imposible obtener la cantidad requerida de agua tratada.
Como resultado, la membrana debe limpiarse o reemplazarse. En el pasado, se han realizado muchos estudios sobre diversas técnicas de prevención de incrustaciones para abordar este problema, pero aún no se ha encontrado una solución adecuada.
Existe una técnica que utiliza menos energía y es menos dañina para el medio ambiente. Esto implica agregar un material fotocatalítico (como el dióxido de titanio) a la membrana y usar fotocatálisis para eliminar los contaminantes. Sin embargo, dicha membrana debe tener una fuerte actividad fotocatalítica y una respuesta a la luz visible además de la capacidad de tratar el agua. Esto requiere que el diseñador considere la estructura y el material de la membrana mientras diseña la membrana.
La membrana de nanofiltración desarrollada por este equipo de investigación funciona utilizando canales 2D entre sus capas de nanoláminas. Los científicos crearon los canales 2D entre las nanoláminas mediante la laminación de nanoláminas de niobato, un tipo de nanolámina de óxido metálico, cada lámina de aproximadamente un nanómetro de espesor y unos cientos de nanómetros de ancho, sobre una membrana de soporte poroso.
En este trabajo, se demostró que la permeabilidad al agua de la membrana recubierta con nanoláminas de niobato mejoró significativamente, mientras que la actividad fotocatalítica aumentó significativamente mediante la adición de nanoláminas de nitruro de carbono sensibles a la luz visible. Además, las propiedades fotocatalíticas de la membrana resolvieron por completo el problema de que la permeabilidad de la membrana se reducía debido al ensuciamiento.
Metodología de investigación
La simple filtración al vacío de materiales de nanoláminas (soluciones coloidales) en membranas de soporte de polímero puede dar como resultado membranas laminadas de nanoláminas. En este trabajo, el equipo de investigación creó una membrana ultrafina de nanoláminas laminadas de unos 100 nm de espesor.
Las mediciones de fraccionamiento de peso molecular y difracción de rayos X mostraron que la introducción de nanoláminas de nitruro de carbono (*5) en una membrana laminada con nanoláminas de niobato permitiría a los investigadores controlar el diámetro de los nanocanales entre las capas.
En términos de rendimiento de la membrana, la membrana de nanofiltración laminada con una proporción de 74:25 de niobato (HNB3O8) a nitruro de carbono (gC3norte4) nanosheet mantuvo su rendimiento de separación mientras mostraba un aumento de 8 veces en la permeabilidad al agua.
La luz visible pudo ser absorbida gracias a la incorporación de nanoláminas de nitruro de carbono, que potenciaron la actividad fotocatalítica. Además, la fotodegradación de la membrana de los tintes catiónicos (Rodamina B) mejoró significativamente con esta combinación de nanoláminas.
Cuando la membrana compuesta desarrollada se utiliza como membrana de separación, las nanoláminas de niobato dan su estructura a la membrana laminada, mientras que el nitruro de carbono se inserta entre estas capas y actúa como espaciador. Como resultado, los canales de la membrana laminada se expanden, acelerando drásticamente la velocidad de penetración del agua.
Mediante la manipulación de la estructura del canal, es posible separar el 90 % de un tinte del agua, que tiene un peso molecular de alrededor de 1000. La funcionalidad fotocatalítica de la membrana es la siguiente: las nanoláminas de niobato sirven como promotores catalíticos y las nanoláminas de nitruro de carbono sirven como fotocatalizadores que absorben la luz visible.
El equipo también descubrió que la gestión adecuada de la estructura de la banda permitió que los electrones se movieran de manera más efectiva, lo que resultó en un gran aumento en la actividad fotocatalítica. Estos resultados sirvieron como base para que los investigadores usaran la membrana para la purificación del agua y su experimento de ensuciamiento de la membrana utilizando albúmina de suero bovino (BSA) como ensuciamiento.
La tasa de permeación de agua de la membrana se redujo a 1/5 de lo normal debido al ensuciamiento de BSA. Sin embargo, al irradiar la membrana de nanolámina ensamblada, los investigadores pudieron restaurar completamente su permeabilidad.
Más investigación
Los investigadores crearon con éxito una membrana que exhibe una buena permeabilidad al agua y actividad fotocatalítica mediante la combinación de varios tipos de nanoláminas para crear nanocanales 2D. Se espera que al cambiar la naturaleza de la nanolámina, se puedan lograr avances adicionales en el rendimiento de la membrana y la actividad fotocatalítica. Esto permite un control más preciso sobre la evolución de los nanocanales 2D y la estructura de la banda.
Para refinar el proceso fotocatalítico y ampliar el área de la membrana, los investigadores trabajarán a continuación en aplicaciones prácticas e industriales.
Una subvención de JSPS KAKENHI para la investigación científica (c) (Subvención de ayuda: JP19K05121) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán financiaron este trabajo (Subvención de ayuda: 110-2221-E-011 -012-MJ3).
Referencia de la revista:
Imoto, S. y otros. (2022) HNb3O8/gC3norte4 Las membranas compuestas de nanoláminas con nanocanales heteroestructurados bidimensionales logran una permeabilidad al agua y una actividad fotocatalítica mejoradas. Revista de ingeniería de procesos. doi.org/10.1016/j.cej.2022.136254.
Fuente: https://www.kobe-u.ac.jp/en/index.html
