Navigare nel mondo dei filtri a membrana: Tipi, usi e vantaggi (Ⅱ)

Prefazione: Nella parte precedente di questo articolo, Navigare nel mondo dei filtri a membrana: Tipi, utilizzi e vantaggi (1), abbiamo presentato una panoramica delle membrane di filtrazione e introdotto i due tipi più comuni di membrane di filtrazione, le membrane di filtrazione polimeriche, tra cui il polietersolfone (PES) e il fluoruro di polivinilidene (PVDF), e le membrane di filtrazione ceramiche, descrivendone la preparazione e le applicazioni. Abbiamo anche presentato la loro preparazione e le loro applicazioni. Stanford Advanced Materials (SAM) continuerà a presentarvi altri tipi di membrane.

5 Membrane nanostrutturate

5.1 Membrane a nanotubi di biossido di titanio (TiO2)

5.1.1 Cosa sono le membrane a nanotubi di biossido di titanio (TiO2)

Dalla scoperta dei nanotubi di carbonio nel 1991, i nanomateriali a struttura tubolare hanno attirato molta attenzione grazie alle loro proprietà fisico-chimiche uniche e alle promettenti applicazioni nella microelettronica, nella catalisi applicata, nella conversione fotovoltaica, ecc. Il TiO2, con i suoi vantaggi di buon assorbimento dei raggi ultravioletti, alta costante dielettrica e proprietà chimiche stabili, è ampiamente utilizzato nei campi della fotocatalisi, dei rivestimenti per celle solari, dell'anticorrosione, della purificazione dell'aria e del trattamento delle acque reflue e in altri campi. I nanotubi di biossido di titanio hanno tipicamente un diametro da pochi a decine di nanometri, mentre la lunghezza può variare da poche centinaia di nanometri a diversi micrometri. Queste dimensioni in scala nanometrica consentono ai nanotubi di biossido di titanio di avere un'elevata area superficiale specifica, un'alta capacità di batteria e speciali proprietà fotovoltaiche, che fanno sì che le membrane di nanotubi di biossido di titanio abbiano un'ampia gamma di applicazioni nella fotocatalisi, nella preparazione di dispositivi fotovoltaici, nella preparazione di sensori e nelle conseguenti aree di reazione correlate, come la purificazione e il trattamento di acqua e aria.

Fig. 6 Microstruttura dei nanotubi di biossido di titanio

5.1.2 Metodi di sintesi per le membrane di nanotubi di biossido di titanio (TiO2)

I metodi di preparazione più comuni per i film sottili di nanotubi di TiO2 includono il metodo della soluzione, il metodo della deposizione in fase di vapore e il metodo elettrochimico, tra i quali il metodo della soluzione è quello più comunemente utilizzato per i vantaggi di un processo semplice e poco costoso, oltre che per la capacità di controllare meglio la morfologia delle dimensioni.

Il metodo in soluzione si basa su precursori di TiO2 in soluzione e, in condizioni specifiche (ad esempio, temperatura, pH, solvente, ecc.), i film di nanotubi di TiO2 si formano controllando i processi di precipitazione, dissoluzione e crescita dei cristalli. I vantaggi del metodo in soluzione per la preparazione di film di nanotubi di TiO2 includono la semplicità di preparazione, il costo inferiore e l'idoneità alla preparazione di grandi superfici.

La deposizione in fase di vapore è un metodo che utilizza precursori di TiO2 in fase gassosa per formare film sottili depositandoli sulla superficie di un substrato in un ambiente ad alta temperatura. Questo metodo comprende sia la deposizione chimica da vapore (CVD) che la deposizione fisica da vapore (PVD). Nel metodo CVD, un film di TiO2 si forma immettendo un precursore gassoso in una camera di reazione e decomponendolo e depositandolo sulla superficie del substrato ad alte temperature. Nel metodo PVD, viene utilizzato un processo fisico (ad esempio, sputtering, evaporazione) per convertire il materiale sorgente solido di TiO2 in uno stato gassoso, che viene poi depositato sulla superficie del substrato. I vantaggi del metodo di deposizione da vapore per la preparazione di film di nanotubi di TiO2 includono una minore quantità di impurità prodotte durante il processo di preparazione e una maggiore qualità del film.

I metodi elettrochimici utilizzano reazioni elettrochimiche per depositare nanotubi di TiO2 sulla superficie dell'elettrodo. Un metodo elettrochimico comune è l'anodizzazione, in cui si forma uno strato di ossido sulla superficie di un substrato applicando una tensione in un elettrolita specifico; questo strato di ossido viene poi utilizzato come modello per far crescere nanotubi di TiO2 in condizioni specifiche. I vantaggi della preparazione elettrochimica di film di nanotubi di TiO2 includono la semplicità del processo di preparazione, la facilità di manipolazione e il fatto che può essere eseguita a temperatura ambiente.

5.1.3 Come vengono utilizzate le membrane di nanotubi di biossido di titanio (TiO2)

1. Trattamento dell'acqua: Le membrane di nanotubi di biossido di titanio possono essere utilizzate nel trattamento delle acque per la rimozione di microinquinanti e il miglioramento della qualità dell'acqua. La sua elevata area superficiale specifica e le sue proprietà fotocatalitiche gli consentono di adsorbire e degradare efficacemente inquinanti come la materia organica, gli ioni di metalli pesanti e i microrganismi presenti nell'acqua e di realizzare la purificazione e la disinfezione dell'acqua. Ad esempio, combinando la membrana di nanotubi di biossido di titanio con la tecnologia fotocatalitica si può stimolare la produzione di specie attive di ossigeno attraverso l'irradiazione di luce ultravioletta, per rimuovere gli inquinanti organici e i batteri presenti nell'acqua.

2. Purificazione dell'aria: Le membrane di nanotubi di biossido di titanio possono essere utilizzate anche per la purificazione dell'aria, rimuovendo gli agenti organici presenti nell'aria, i COV (composti organici volatili), la formaldeide e altri gas nocivi. Analogamente alle applicazioni nel trattamento delle acque, le proprietà fotocatalitiche delle membrane di nanotubi di biossido di titanio possono essere utilizzate per irradiare la luce ultravioletta sulla membrana per promuovere la degradazione e la rimozione dei gas nocivi.

3. Filtrazione del particolato: Sebbene le membrane di nanotubi di biossido di titanio siano principalmente fotocatalitiche, la loro struttura tubolare su scala nanometrica le rende anche in grado di filtrare in una certa misura il particolato. Sebbene questa prestazione di filtrazione non sia efficiente come quella di altri materiali di filtrazione, ha comunque un certo effetto di filtrazione in scenari applicativi specifici e può essere utilizzata come strato di filtrazione aggiuntivo.

5.2 Membrane di ossido di grafene (GO)

5.2.1 Introduzione delle membrane di ossido di grafene (GO)

L'ossido di grafene (GO) è un ossido del grafene, che è più attivo del grafene grazie all'aumento dei gruppi funzionali contenenti ossigeno sul grafene dopo l'ossidazione e può migliorare le sue proprietà attraverso varie reazioni con gruppi funzionali contenenti ossigeno. I fiocchi di ossido di grafene sono il prodotto dell'ossidazione chimica e dell'esfoliazione della polvere di grafite. L'ossido di grafene è un singolo strato atomico, che può essere facilmente espanso fino a decine di micrometri di dimensione laterale. Come tale, la sua struttura si estende su scale tipiche della chimica generale e della scienza dei materiali. L'ossido di grafene può essere considerato un tipo non tradizionale di materiale morbido con proprietà di polimeri, colloidi, film sottili e molecole anfifiliche.

L'ossido di grafene ha una grande quantità di ossigeno (ad esempio, gruppi idrossilici, gruppi carbossilici, ecc.), che forma difetti e gruppi funzionali tra gli strati di grafene, portando alla formazione di strutture microporose negli interstizi tra gli strati. Queste strutture microporose conferiscono alle membrane filtranti in ossido di grafene un elevato grado di area superficiale e permeabilità. Queste strutture microporose possono essere utilizzate sia per la filtrazione fisica, cioè per bloccare o lasciar passare selettivamente le molecole di liquidi o gas in base alle dimensioni dei micropori, sia per la rimozione di solidi in sospensione, soluti, microrganismi e così via. I gruppi funzionali sulla superficie della membrana di filtrazione in ossido di grafene possono anche chemisorbire con le molecole di soluto in modo che le molecole di soluto vengano adsorbite o attaccate sulla superficie della membrana di filtrazione, rimuovendo così la materia organica, gli ioni di metalli pesanti e altri inquinanti presenti nel liquido o nel gas. Allo stesso tempo, i gruppi funzionali sulla superficie della membrana di filtrazione in ossido di grafene possono essere caricati positivamente o negativamente e questi effetti di carica possono influenzare l'adsorbimento e la distribuzione delle molecole di soluto sulla superficie della membrana di filtrazione, realizzando così una filtrazione selettiva di soluti specifici.

Inoltre, alcune membrane filtranti in ossido di grafene possiedono un'attività fotocatalitica, ossia, quando esposte alla luce, l'ossido di grafene sulla superficie può generare specie reattive dell'ossigeno, come radicali idrossilici e ioni superossido, ecc. che possono ossidare e degradare la materia organica, realizzando così la degradazione e la rimozione degli inquinanti organici nell'acqua.

Fig. 7 Struttura dell'ossido di grafene (GO)

5.2.2 Diversi metodi di preparazione delle membrane di ossido di grafene (GO)

L'ossido di grafene si ottiene attraverso la reazione di ossidazione del grafene; in generale, esistono due metodi: il metodo Hummers e il metodo Brodie.

1. Metodo Hummers: Il grafene viene mescolato con acido solforico concentrato e agitato per ottenere un contatto completo, quindi si aggiunge acido nitrico e si agita la reazione a una temperatura inferiore a 5℃, dopodiché si aggiunge perossido di idrogeno raffreddato alla reazione e, alla fine della reazione, si aggiunge una grande quantità di acqua per diluire la soluzione di reazione; l'ossido di grafene si ottiene per filtrazione, lavaggio, essiccazione e altri passaggi.

Fig. 8 Preparazione dell'ossido di grafene con il metodo Hummers

2. Metodo Brodie: polvere di grafite e acido nitrico concentrato mescolati, mentre si mescola si aggiunge acido solforico freddo, l'ossidazione dell'acido nitrico della reazione della grafite produce NO2, al termine della reazione si aggiunge una grande quantità di acqua per diluire la soluzione di reazione, dopo la filtrazione, il lavaggio, l'essiccazione e altri passaggi per ottenere l'ossido di grafene.

L'ossido di grafene viene spesso trasformato in film sottili con il metodo del rivestimento, della deposizione chimica da vapore e con il metodo idrotermale.

1. Metodo di rivestimento: le fasi sono relativamente semplici, la polvere di ossido di grafene viene aggiunta alla quantità appropriata di solvente e agitata in modo uniforme per farla disperdere, la soluzione viene spalmata in modo uniforme sul substrato per farla asciugare, quindi si ripetono le fasi precedenti fino a ottenere uno spessore adeguato.

2. Deposizione chimica da vapore (CVD): La polvere di ossido di grafene viene posta in un forno ad alta temperatura e riscaldata a oltre 700°C. Uno o più gas contenenti fonti di carbonio (come metano, etilene, ecc.) fluiscono nella camera di reazione e i gas delle fonti di carbonio si decompongono ad alta temperatura per formare grafene, che reagisce con gli ossidi sulla superficie dell'ossido di grafene per generare film di ossido di grafene.

3. Metodo idrotermale: rispetto al metodo di deposizione chimica da vapore, la temperatura di reazione richiesta è inferiore; la polvere di ossido di grafene viene aggiunta alla quantità appropriata di solvente, riscaldata alla temperatura appropriata, quindi l'agente riducente (come idrogeno, ammoniaca, ecc.) viene aggiunto al sistema di reazione e l'agente riducente nelle condizioni idrotermali per ridurre l'ossido di grafene e ottenere il film.

5.2.3 Vari scenari di applicazione delle membrane di ossido di grafene (GO)

1. Trattamento dell'acqua e purificazione dell'aria: la membrana di ossido di grafene non solo può effettuare la filtrazione convenzionale, ma la sua selettività molecolare consente di realizzare la desalinizzazione, la separazione olio-acqua, ecc. Nel frattempo, la sua struttura microporosa e i suoi componenti ossidati possono anche rimuovere la materia organica e gli ioni di metalli pesanti, ecc.

2. Separazione molecolare: la struttura microporosa della membrana di filtrazione in ossido di grafene può regolare la permeabilità e la separazione selettiva delle molecole, per cui ha un potenziale valore applicativo nella separazione dei gas, nella separazione dei solventi, nello screening molecolare e così via. Ad esempio, una membrana di filtrazione in ossido di grafene può essere utilizzata per realizzare la cattura di CO2, la separazione dei gas e la purificazione organica.

3. Biomedicina: La membrana di filtrazione in ossido di grafene ha una buona biocompatibilità e biosorbimento, per cui viene utilizzata nei campi della biosensing, della bioseparazione e della bioanalisi. Ad esempio, le membrane di filtrazione in ossido di grafene possono essere utilizzate per la coltura cellulare, la separazione delle proteine e la cattura del DNA.

4. Energia: Le membrane di filtrazione in ossido di grafene sono utilizzate in dispositivi come batterie, supercondensatori e celle a combustibile nel settore energetico come membrane per il trasporto di ioni e membrane elettrolitiche per migliorare le prestazioni e la stabilità dei dispositivi.

5.3 Membrana di nanotubi di carbonio (CNT)

5.3.1 Proprietà della membrana di nanotubi di carbonio (CNT)

Il nanotubo di carbonio (CNT) è un tubo cavo senza soluzione di continuità formato dall'arricciamento di scaglie di grafite. Gli atomi di carbonio nei nanotubi di carbonio sono ibridati e legati in modo sp2 , con un anello a sei membri come unità strutturale di base, che conferisce ai nanotubi di carbonio un elevato modulo di Young e li rende un materiale con un'alta resistenza alla frattura che non si danneggia facilmente in situazioni di flessione. Le pellicole di nanotubi di carbonio sono strutture bidimensionali a rete di nanotubi di carbonio formate da singoli nanotubi di carbonio riempiti fisicamente o chimicamente con matrici di nanotubi di carbonio disposti liberamente, con proprietà legate alla conformazione, all'orientamento, al grado di difetti e al rapporto lunghezza/diametro dei nanotubi di carbonio. Le membrane di nanotubi di carbonio hanno una struttura dei pori su scala nanometrica e un'ampia superficie specifica, che rende la membrana filtrante dotata di un'ampia area superficiale, favorevole all'adsorbimento e alla separazione dei soluti. La struttura dei pori ha dimensioni nanometriche, il che la rende efficace nel bloccare soluti, come particelle, molecole organiche, ecc. Nonostante la struttura dei pori su scala nanometrica, le membrane di filtrazione in nanotubi di carbonio hanno un'elevata permeabilità, che facilita il rapido passaggio dei soluti e riduce la resistenza alla filtrazione. I nanotubi di carbonio hanno una buona stabilità chimica, un'elevata resistenza meccanica e flessibilità e possono adattarsi alla maggior parte degli ambienti per mantenere stabili le loro proprietà strutturali. Esistono vari modi per preparare membrane di filtrazione in nanotubi di carbonio, che possono essere realizzati regolando la struttura, la densità, il numero di strati e altri parametri dei nanotubi di carbonio per regolare le prestazioni delle membrane di filtrazione in modo da soddisfare le esigenze dei diversi scenari applicativi.

Fig. 9 Struttura schematica di diverse forme di monomeri di carbonio

5.3.2 Approcci di sintesi per le membrane di filtrazione a nanotubi di carbonio

1. Deposizione chimica da vapore (CVD): I gas di partenza del carbonio tipicamente utilizzati includono idrocarburi come etilene e metano, mentre per il catalizzatore si scelgono solitamente catalizzatori metallici come ferro, nichel, cobalto, ecc. Il substrato da depositare (ad esempio, wafer di silicio, wafer di vetro, ecc.) viene collocato in una camera di reazione per garantire che la superficie del substrato sia pulita e piana. La camera di reazione viene riscaldata a una temperatura adeguata e quindi estratta a un certo livello di vuoto per garantire la purezza e la stabilità dei gas durante il processo di reazione. Il gas sorgente di carbonio e il gas catalizzatore vengono introdotti nella camera di reazione attraverso un sistema di alimentazione del gas per controllare la portata e il volume del gas. Il gas di partenza del carbonio si dissocia sulla superficie del catalizzatore per generare atomi di carbonio, che vengono successivamente depositati sulla superficie del substrato per formare nanotubi di carbonio. Il tempo di crescita dei nanotubi di carbonio è controllato, di solito da minuti a ore, per controllare la lunghezza e la densità dei nanotubi. Una crescita prolungata produce nanotubi di carbonio più lunghi e più densi. Al termine della crescita, l'alimentazione della fonte di carbonio e del gas catalizzatore viene interrotta e la camera di reazione viene raffreddata a temperatura ambiente. Al termine della reazione, il gas residuo nella camera di reazione viene rimosso fornendo un gas inerte come azoto o argon.

2. Metodo di rivestimento: La sospensione di nanotubi di carbonio viene rivestita sulla superficie del substrato mediante spin-coating, spruzzatura, spazzolatura o laminazione. Durante il processo di rivestimento, è possibile controllare parametri quali la velocità di rivestimento e la velocità di rotazione della testa di rivestimento per controllare lo spessore e l'uniformità del film. Dopo la verniciatura, il rivestimento viene posto in un'area ventilata o su un banco riscaldato per indurre l'evaporazione del solvente. Dopo la completa evaporazione del solvente, si procede all'essiccazione per formare un film uniforme di nanotubi di carbonio. Opzionalmente, il film di nanotubi di carbonio viene trattato termicamente per migliorarne la cristallinità e le proprietà meccaniche. Le condizioni di trattamento termico possono essere regolate a seconda delle necessità e sono solitamente eseguite in atmosfera di gas inerte.

3. Filtrazione: I materiali delle membrane filtranti comunemente utilizzati includono membrane in policarbonato (PC), poliestere (PET) e poliammide (Nylon), mentre la dimensione dei pori viene solitamente selezionata in base allo spessore del film e alla permeabilità desiderati. La sospensione di nanotubi di carbonio viene filtrata sulla membrana filtrante mediante vuoto o pressione. Le operazioni di filtrazione possono essere eseguite utilizzando apparecchiature come imbuti di filtrazione sotto vuoto o filtri a membrana.

4. Metodo di strippaggio: i metodi di strippaggio più comuni includono lo strippaggio meccanico, in cui la pellicola di nanotubi di carbonio viene direttamente strippata dal substrato utilizzando strumenti di strippaggio (ad es, nastri, raschietti, ecc.); stripping chimico, in cui il film di nanotubi di carbonio cresciuto viene posto in un solvente o in una soluzione appropriata in modo da danneggiare il legame tra il film e il substrato per realizzare lo stripping; e stripping termico, in cui il substrato o il film viene riscaldato per farlo espandere o contrarre termicamente per distruggere il legame tra il substrato e il film per realizzare lo stripping; e stripping termico, in cui il substrato o il film viene riscaldato per farlo espandere o contrarre termicamente per distruggere il legame tra il substrato e il film per realizzare lo stripping. e la pellicola riscaldando il substrato o la pellicola, facendoli espandere e contrarre termicamente, rompendo così il legame tra il substrato e la pellicola.

5.3.3 Utilizzo di membrane di nanotubi di carbonio (CNT)

Un'applicazione unica dei nanotubi di carbonio, oltre alle applicazioni funzionali simili ad altri tipi di membrane di filtrazione, è il loro utilizzo come membrane a osmosi inversa. La membrana a osmosi inversa è una tecnologia di separazione a membrana in grado di separare impurità, ioni, microrganismi, ecc. dall'acqua, ampiamente utilizzata nei settori dell'acqua potabile, del trattamento delle acque reflue industriali e della desalinizzazione dell'acqua di mare. Tuttavia, la membrana ad osmosi inversa presenta il problema del basso flusso e della scarsa efficienza di trattamento. Per risolvere questo problema, gli studiosi hanno introdotto i nanotubi di carbonio nelle membrane a osmosi inversa. I nanotubi di carbonio hanno proprietà eccellenti come l'elevata area superficiale specifica, l'alta resistenza, l'alta conducibilità, ecc. che possono formare una sorta di canale conduttore di protoni nella membrana a osmosi inversa e aumentare il flusso. Allo stesso tempo, i nanotubi di carbonio possono anche adsorbire ioni, microrganismi e altre impurità presenti nell'acqua, migliorando efficacemente l'efficienza di purificazione dell'acqua e la durata della membrana a osmosi inversa. Attualmente, la membrana a osmosi inversa basata sui nanotubi di carbonio è stata introdotta nell'uso commerciale, nel campo dell'acqua potabile, della desalinizzazione dell'acqua di mare e in altri settori per ottenere risultati significativi. In futuro, la ricerca e la tecnologia di preparazione dei materiali a base di nanotubi di carbonio saranno ulteriormente sviluppate e il flusso e l'efficienza di lavorazione delle membrane a osmosi inversa saranno costantemente migliorati.

Tabella 2 Confronto tra le proprietà dei nanotubi di TiO2, GO e CNT

6 Membrane basate su strutture organiche metalliche (MOF)

6.1 Cosa sono le membrane MOF

IlMetal Organic Framework (MOF) è una classe di materiali cristallini porosi con struttura a rete periodica formata dall'interconnessione di centri metallici inorganici e ligandi organici a ponte attraverso l'autoassemblaggio. Il MOF è un materiale ibrido organico-inorganico, noto anche come polimero di coordinazione, che presenta sia la rigidità dei materiali inorganici sia la flessibilità dei materiali organici. Ha sia la rigidità dei materiali inorganici che la flessibilità dei materiali organici. Lo scheletro metallo-organico è un polimero di coordinazione formato dall'autoassemblaggio di ligandi organici polidentati contenenti ossigeno, azoto, ecc. e ioni di metalli di transizione, diverso sia dai materiali porosi inorganici che dai complessi organici generici. Le strutture a spina dorsale in diverse dimensioni sono determinate principalmente dalle interazioni di coordinazione tra i ligandi organici e gli ioni metallici e dal legame a idrogeno. I reagenti residui e le piccole molecole di solvente durante il processo di sintesi occuperanno i pori della struttura a scheletro, mentre la rimozione delle piccole molecole mediante trattamento di attivazione può lasciare una struttura a pori persistente. Inoltre, la dimensione e la struttura dei pori possono essere modificate dalla struttura dei ligandi organici e dal tipo di ioni metallici presenti nelle materie prime sintetizzate per controllare l'area superficiale specifica e la porosità in base alle diverse applicazioni. Attualmente, i materiali a scheletro metallo-organico utilizzati insieme a ligandi neutri organici eterociclici contenenti azoto o principalmente con ligandi anionici organici contenenti carbossile possono essere sintetizzati in grandi quantità, il che mostra un grande potenziale per lo sviluppo e l'applicazione nella moderna ricerca sui materiali.

6.2 Come produrre membrane MOF

1. Metodo di sintesi in situ: in base alle particolari proprietà superficiali del supporto stesso, il supporto viene inserito direttamente nel sistema di sintesi e, in determinate condizioni, la superficie del supporto e la notte di formazione del film entrano direttamente in contatto e quindi reagiscono, per preparare una membrana continua. Il metodo di sintesi in situ è semplice e facile da utilizzare, facile da realizzare su larga scala, ma è difficile preparare membrane MOF continue, perché le proprietà chimiche tra i materiali MOF e i carrier sono più diverse, il tasso di nucleazione dei cristalli è ridotto, con conseguente bassa densità di nucleazione eterogenea dei cristalli MOF sulla superficie del carrier e scarso legame tra la membrana e il carrier.

2. Metodo di crescita secondaria del seme di cristallo: utilizzare innanzitutto il metodo idrotermale per far crescere il seme di cristallo sul substrato, quindi, dopo il processo di nucleazione del cristallo, la crescita dello strato di membrana, la crescita secondaria del materiale per ottenere una membrana densa. Infine, le specie cristalline della superficie del substrato poroso dopo l'alta temperatura, la reazione di condensazione tra i gruppi e i grani di zeolite combinati per formare legami covalenti. Tuttavia, il metodo è in qualche modo limitato perché la membrana filtrante non resiste alle alte temperature.

Fig. 10 Sintesi schematica di un film MOF: Film di PSS@ZIF-8

6.3 Come vengono utilizzate le membrane MOF

Oltre alle applicazioni funzionali simili ad altri tipi di membrane filtranti, le membrane MOF possono essere applicate al trattamento degli ioni di metalli pesanti. Le membrane MOF hanno una struttura porosa altamente ordinata formata da ioni metallici e ligandi organici attraverso il legame chimico dei ligandi. Questa struttura porosa ha un diametro e una dimensione dei pori regolabili, fornendo molti siti e canali di adsorbimento, favorevoli all'adsorbimento e all'incorporazione di ioni di metalli pesanti. Ciò consente ai film MOF di essere utilizzati nel campo del trattamento delle acque, ad esempio per la rimozione di ioni metallici pesanti inquinanti, come piombo, cadmio e mercurio, dalle acque sotterranee, dalle acque reflue industriali e dalle acque reflue municipali. Le dimensioni altamente controllabili dei pori e la funzionalizzazione della superficie dei film MOF consentono un efficiente adsorbimento e la separazione selettiva di specifici ioni di metalli pesanti. Svolgono inoltre un ruolo nel trattamento di adsorbimento e recupero per la bonifica ambientale e i processi di trattamento delle acque reflue. I film MOF possono realizzare un'efficiente cattura e recupero dei metalli target durante l'adsorbimento degli ioni di metalli pesanti. Attraverso adeguati metodi di post-trattamento, gli ioni di metalli pesanti adsorbiti possono essere desorbiti dal film MOF, realizzando un efficace recupero e riutilizzo delle risorse metalliche.

7 Membrana filtrante composita

Le membrane filtranti composite sono diverse dalle tradizionali membrane filtranti monomateriale in quanto combinano due o più materiali per sfruttare appieno i rispettivi punti di forza e compensare le rispettive carenze, ottenendo così una filtrazione più efficiente e affidabile. Questi materiali possono essere polimeri, ceramiche, metalli, nanomateriali, ecc. Ogni materiale ha proprietà fisiche, chimiche e meccaniche uniche e può essere combinato in modo flessibile in base ai diversi requisiti di filtrazione.

Nelle batterie agli ioni di litio, una membrana composita PVDF-MOF con uno strato continuo di MOF funge da diaframma ad alte prestazioni. La struttura uniforme dei pori e i canali subnano con siti metallici aperti collegati nello strato MOF continuo possono generare un flusso di Li+ uniformemente distribuito, inibire la formazione di protrusioni dendritiche e migliorare le prestazioni elettrochimiche.

Fig. 11 Separatore composito PVDF-MOF con strato MOF continuo [5]

Nel campo della desalinizzazione dell'acqua di mare, la distillazione a membrana (MD) è emersa come una strategia alternativa di desalinizzazione dell'acqua di mare in grado di ridurre ampiamente i costi di capitale e il consumo energetico. Nel processo MD, quasi il 100% dei componenti non volatili viene rimosso e non vi è alcuna limitazione sulla concentrazione dell'acqua di alimentazione, mentre il processo di osmosi inversa (RO), guidato dalla pressione, ha un potenziale minore per il trattamento di soluzioni ad alta salinità con un basso recupero di acqua. I componenti volatili vengono separati dalla miscela di alimentazione utilizzando una membrana idrofobica microporosa e il sistema funziona al di sotto del punto di ebollizione del liquido di alimentazione. Per le applicazioni MD, spesso si preferiscono materiali polimerici con bassa energia superficiale, elevata stabilità termica, chimica e inerzia. Il politetrafluoroetilene (PTFE) e il fluoruro di polivinilidene (PVDF) sono considerati i principali materiali di membrana disponibili in commercio per la distillazione a membrana sotto vuoto (VMD), grazie alla loro elevata stabilità termica e idrofobicità. Il PVDF e il PTFE sono i polimeri ottimali per le applicazioni VMD grazie alla loro eccellente resistenza chimica e durata. Queste proprietà consentono al PVDF di resistere agli ambienti chimici aggressivi che spesso si incontrano nei sistemi VMD, garantendo un'affidabilità operativa a lungo termine. Il PTFE, invece, svolge un ruolo fondamentale grazie alle sue proprietà antiaderenti e all'eccellente resistenza alle alte temperature. Nei sistemi VMD, il PTFE contribuisce a migliorare le prestazioni della membrana e previene efficacemente le incrostazioni, assicurando così un trasporto efficiente e senza ostacoli del vapore attraverso la membrana durante la distillazione. Nelle applicazioni VMD, l'uso sinergico di PVDF e PTFE migliora la durata, la resistenza chimica e l'efficienza operativa dell'intero sistema di membrane.

Fig. 12 Diagramma di flusso sulla preparazione della membrana composita microporosa PVDF-PTFE [6]

8 Conclusioni

Le membrane filtranti realizzate con diversi materiali sono utilizzate in diversi campi grazie alle loro diverse caratteristiche e possono essere selezionate in base a diverse esigenze oltre al processo di filtrazione di base. Stanford Advanced Materials (SAM) non solo è in grado di fornire un'ampia gamma di prodotti a membrana per la filtrazione, ma anche di fornire una consulenza professionale per la scelta, che potrete consultare immediatamente.

Lettura correlata:

Caso di studio: Filtri a membrana

Riferimenti:

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