Nanoröhrenmembran - Nanotube membrane

Nanoröhrenmembranen sind entweder einzelne Nanoröhren mit offenem Ende (CNT) oder ein Film, der aus einer Reihe von Nanoröhren besteht, die wie die Zellen einer Wabe senkrecht zur Oberfläche einer undurchlässigen Filmmatrix ausgerichtet sind . "Undurchlässig" ist hier wesentlich, um Nanoröhrenmembranen von traditionellen, bekannten porösen Membranen zu unterscheiden. Flüssigkeiten und Gasmoleküle können massenhaft durch die Membran gelangen, jedoch nur durch die Nanoröhren. Beispielsweise bilden Wassermoleküle geordnete Wasserstoffbrücken, die beim Durchgang durch die CNTs wie Ketten wirken. Dies führt zu einer nahezu reibungsfreien oder atomar glatten Grenzfläche zwischen den Nanoröhren und Wasser, die sich auf eine „Schlupflänge“ der hydrophoben Grenzfläche bezieht. Eigenschaften wie die Schlupflänge, die das Nichtkontinuumsverhalten des Wassers innerhalb der Porenwände beschreiben, werden in einfachen hydrodynamischen Systemen nicht berücksichtigt und fehlen in der Hagen-Poiseuille-Gleichung . Molekulardynamische Simulationen charakterisieren den Fluss von Wassermolekülen durch die Kohlenstoffnanoröhren besser mit einer unterschiedlichen Form der Hagen-Poiseuille-Gleichung, die die Schlupflänge berücksichtigt.

Der Transport von Polystyrolpartikeln (60 und 100 nm Durchmesser) durch Einrohrmembranen (150 nm) wurde im Jahr 2000 beschrieben. Bald darauf wurden Ensemblemembranen aus mehrwandigen und doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhren hergestellt und untersucht. Es wurde gezeigt, dass Wasser durch die graphitischen Nanoröhrenkerne der Membran mit bis zu fünf Größenordnungen durch die klassische Fluiddynamik fließen kann, was über die Hagen-Poiseuille-Gleichung sowohl für mehrwandige Röhren (Innendurchmesser 7 nm) als auch für doppelwandige Röhren vorhergesagt werden würde (Innendurchmesser <2 nm).

In Experimenten von Holt et al. reines Wasser (~ 1,0020 cP Viskosität ) wurde durch drei Proben doppelwandiger Kohlenstoffnanoröhren in einer Siliziumnitridmatrix mit unterschiedlichen Membranflüssen und -dicken transportiert. Es wurde festgestellt, dass diese Membranen eine verbesserte Strömung aufweisen, die mehr als drei Größenordnungen schneller war als die erwartete rutschfeste hydrodynamische Strömung, berechnet nach der Hagen-Poiseuille-Gleichung. Diese Ergebnisse für Nanoröhren mit Poren von 1–2 nm Durchmesser entsprachen etwa 10–40 Wassermolekülen pro nm ² pro Nanosekunde. In einem ähnlichen Experiment von Mainak Majumder et al. Nanoröhren mit einem Durchmesser von etwa 7 nm in festem Polystyrol wurden auf ihre Flüssigkeitsgeschwindigkeiten getestet. Diese Ergebnisse zeigten in ähnlicher Weise, dass die Nanoröhren lange Gleitebenen aufweisen und die Flussraten vier bis fünf Größenordnungen schneller sind als herkömmliche Vorhersagen des Flüssigkeitsflusses.

Es wurde ferner gezeigt, dass der Wasserfluss durch Kohlenstoffnanoröhrenmembranen (ohne Füllmatrix, also Fluss auf der Außenfläche von CNTs) durch Anlegen von elektrischem Strom gesteuert werden kann. Unter vielen möglichen Anwendungen , bei denen Nanoröhrenmembranen eines Tages eingesetzt werden könnten, ist die Entsalzung von Wasser.

Mitra et al. ( ^8-14 ) waren Pioniere einer neuartigen Architektur bei der Herstellung von CNT-basierten Membranen. Diese Methode erzeugt eine überlegene Membran, indem Kohlenstoffnanoröhren in den Poren und auf der Membranoberfläche immobilisiert werden. In ihrer Arbeit werden die CNTs in Polymer- oder Keramikmembranen immobilisiert, was zur Entwicklung einer einzigartigen Membranstruktur führt, die als immobilisierte Kohlenstoffnanoröhrenmembran (CNIM) bezeichnet wird. Dies wurde durch Immobilisierung von CNT aus einer dispergierten Form erreicht. Solche Membranen sind robust, thermisch stabil und besitzen eine hohe Selektivität. Das Ziel hierbei ist es, CNTs so zu immobilisieren, dass ihre Oberflächen frei sind, direkt mit dem gelösten Stoff zu interagieren. Die durch dieses Verfahren hergestellte Membran hat dramatische Verbesserungen des Flusses und der Selektivität in verschiedenen Anwendungen gezeigt, wie Meerwasserentsalzung ( ^8,9 ), Membranextraktion ( ¹⁰ ), Wasserreinigung durch Entfernen flüchtiger organischer Stoffe aus Wasser ( ¹¹ ) und für Membran-Extraktion im Mikromaßstab zur Analyse von Wasserschadstoffen ( ^12-14 ).

Im Jahr 2016 wurden erstmals großformatige kommerzielle CNT-Membranen eingeführt. Anfänglich wurden diese Membranen in einem flachen Blattformat hergestellt, das denen ähnelte, die zuvor in Forschungslabors hergestellt wurden, wenn auch in viel größerem Maßstab. 2017 kündigte das Unternehmen die Entwicklung einer CNT-Membran mit Hohlfasermembran an, deren Nanoröhren radial senkrecht zur Membranoberfläche ausgerichtet sind. Dies war noch nie zuvor erreicht worden.

In allen Fällen dienen die CNTs als einzigartige Poren, die den Massentransport durch die Membran verbessern und je nach Größe oder chemischer Affinität auswählen. Zum Beispiel verbessern die CNTs im Fall der Entsalzung den Wassertransport, während sie die Übertragung von Salzen blockieren oder verringern, basierend auf der Größe der hydratisierten Salzionen. Bei der Entfernung organischer Stoffe wie bei der Wasserreinigung, Pervaporation und Extraktion durchdringen CNT-Membranen bevorzugt die organischen Stoffe und ermöglichen Trennungen, die bisher nur mit Methoden wie Destillation möglich waren. Ein Beispiel für organische / Wasser-Trennungen ist die Trennung von Ethanol von Wasser, eine Anwendung, bei der CNT-Membranen eine nahezu ideale Selektivität für den Transport von Ethanol zeigen.

Nanoporenmessung in spurgeätzter Membran

Seit der Entdeckung der spurgeätzten Technologie in den späten 1960er Jahren haben Filtermembranen mit dem erforderlichen Durchmesser potenzielle Verwendung in verschiedenen Bereichen gefunden, darunter Lebensmittelsicherheit, Umweltverschmutzung, Biologie, Medizin, Brennstoffzellen und Chemie. Diese spurgeätzten Membranen werden typischerweise in einer Polymermembran durch ein Spurätzverfahren hergestellt, bei dem die Polymermembran zuerst mit einem schweren Ionenstrahl bestrahlt wird, um Spuren zu bilden, und dann nach dem Nassätzen entlang der Spur zylindrische Poren oder asymmetrische Poren erzeugt werden.

Ebenso wichtig wie die Herstellung der Filtermembranen ist die Charakterisierung und Messung der Poren in der Membran. Bisher wurden einige Methoden entwickelt, die nach den von ihnen genutzten physikalischen Mechanismen in die folgenden Kategorien eingeteilt werden können: Bildgebende Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) ); Flüssigkeitstransporte wie Blasenpunkt- und Gastransport; Flüssigkeitsadsorptionen wie Stickstoffadsorption / -desorption (BEH), Quecksilberporosimetrie, Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht (BJH), Gas-Flüssigkeits-Gleichgewicht (Permoporometrie) und Flüssig-Fest-Gleichgewicht (Thermoporometrie); elektronische Leitfähigkeit; Ultraschallspektroskopie; 19 Molekularer Transport.

In jüngerer Zeit wurde die Verwendung der Lichtübertragungstechnik als Verfahren zur Messung der Nanoporengröße vorgeschlagen.

Siehe auch

• Kohlenstoff-Nanoröhrchen
• Nanofiltration
• Nanofluidik
• Mögliche Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren

Verweise

8 .: "Kohlenstoffnanoröhrchen-verbesserte Membrandestillation zur gleichzeitigen Erzeugung von reinem Wasser und Konzentration von pharmazeutischen Abfällen". Ken Gethard, Ornthida Sae-Khow und Somenath Mitra. 90, 239 & ndash; 245 ,. Trenn- und Reinigungstechnologie. 2012

9.:::"Wasserentsalzung mit Kohlenstoffnanoröhrchen-verstärkter Membrandestillation ". Ken Gethard, Ornthida Sae-Khow und Somenath Mitra. ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen. 2011, 3, 110–114.

10.::: "Gleichzeitige Extraktion und Konzentration in mit Kohlenstoffnanoröhrchen immobilisierten Hohlfasermembranen". Ornthida Sae-Khow und Somenath Mitra. Anal. Chem. 2010, 82 (13), 5561 & ndash; 5567.

11.:::"Kohlenstoffnanoröhrchen-immobilisierte Hohlfasermembranen aus Verbundwerkstoffen zur Entfernung von flüchtigen organischen Stoffen aus Wasser durch Pervaporative "". Ornthida Sae-Khow und Somenath Mitra. J. Phys. Chem. C. 2010, 114, 16351–16356.

12.::: "Herstellung und Charakterisierung von mit Kohlenstoffnanoröhren immobilisierten porösen Polymermembranen". Ornthida Sae-Khow und Somenath Mitra. J. Mater. Chem., 2009, 19 (22), 3713 & ndash; 3718.

13. :: "Carbon Nanotube Mediated Microscale Membrane Extraction". K. Hylton, Y. Chen, S. Mitra, J. Chromatogr. A., 2008, 1211, 43-48.

14. :: "Mit Kohlenstoffnanoröhrchen immobilisierte polare Membranen zur verbesserten Extraktion von polaren Analyten". Madhuleena. Bhadra, Somenath. Mitra. Analyst. 2012, 137, 4464-4468.