Recopilación completa de datos detallados sobre membranas de separación
Introducción básica Nombre chino: Membrana de separación Esencia: Forma de interfaz utilizada para separar dos partes: sólido o líquido Características: Permeación selectiva Ventajas: alta eficiencia, bajo consumo de energía, tamaño reducido, etc. Aplicaciones: descripción básica de las membranas de separación en la industria alimentaria y la medicina, ventajas de la separación por membranas, progreso de la investigación de las membranas de separación a base de grafeno, preparación de membranas a base de grafeno, aplicaciones de las membranas de separación a base de grafeno, descripción básica de las membranas de separación. a una interfaz que puede confinar y transferir sustancias fluidas en una forma específica para separar dos fases o dos partes. La película puede estar en forma sólida o líquida. El fluido separado por la membrana puede ser un líquido o un gas. Una membrana de separación es una fina capa especial de material con permeabilidad selectiva que permite que una o varias sustancias del fluido penetren mientras que otras sustancias no lo hacen, concentrando, separando y purificando así el fluido. Desde la llegada de la tecnología de membranas, se han utilizado ampliamente membranas de microfiltración, membranas de intercambio iónico, membranas de ósmosis inversa, membranas de ultrafiltración y membranas de separación de gases. Debido a que pueden lograr la separación manteniendo el entorno del sistema biológico original, y pueden concentrar y enriquecer productos de manera eficiente, y eliminar impurezas de manera efectiva, tienen las ventajas de una operación fácil, estructura compacta, bajo consumo de energía, procesos simplificados, sin contaminación secundaria y sin Es necesario agregar productos químicos. Se está convirtiendo gradualmente en el proceso de operación unitaria básica en la industria alimentaria y la medicina. Ventajas de la separación por membrana La separación por membrana tiene las ventajas de una alta eficiencia de separación, bajo consumo de energía, tamaño reducido, proceso simple (fácil de ampliar y controlar), operación sencilla y sin contaminación ambiental. Progreso de la investigación de membranas de separación a base de grafeno El rápido desarrollo de la industrialización ha traído comodidad a la vida de las personas, pero también enfrenta problemas ambientales causados por aguas residuales, gases de escape y otras contaminaciones. La tecnología de separación por membranas, como una de las tecnologías eficaces para el control ambiental, apareció a principios del siglo XX. En aplicaciones prácticas, la tecnología de separación por membranas enfrenta muchos desafíos, siendo la suciedad de la membrana y la baja eficiencia de separación sus principales factores limitantes. Con el fin de desarrollar y mejorar aún más la tecnología de separación por membranas, se han desarrollado uno tras otro diferentes materiales de membranas de separación. Entre ellos, los materiales de grafeno con excelente selectividad y estabilidad se destacan y se convierten en el material de membrana no tradicional con mayor potencial. El grafeno es un cristal monocapa bidimensional formado a partir de átomos de carbono en forma de anillo de seis miembros. Tiene excelentes propiedades mecánicas y estabilidad. El óxido de grafeno (GO) tiene una estructura plana bidimensional similar al grafeno, con una gran cantidad de grupos funcionales polares que contienen oxígeno, como grupos hidroxilo, carboxilo y epoxi distribuidos en su superficie. La presencia de estos grupos es beneficiosa para el diseño funcional de membranas a base de grafeno, cambiando así la carga superficial y la hidrofobicidad de la membrana y ajustando el tamaño de la capa intermedia. Además, la materia prima (grafito) para preparar membranas a base de grafeno está ampliamente disponible y es barata, lo que proporciona una base favorable para la preparación a gran escala y la aplicación generalizada de membranas a base de grafeno. Preparación de membranas a base de grafeno En la última década, se han desarrollado y aplicado varias membranas a base de grafeno en el campo de la separación de membranas. En la actualidad, los principales métodos de preparación de membranas a base de grafeno incluyen filtración al vacío, recubrimiento por pulverización/giro, autoensamblaje capa por capa y métodos de mezcla * * *. 1 Método de succión al vacío El método de succión al vacío es el método más utilizado para preparar películas a base de grafeno. El proceso principal es el siguiente: primero vierta el grafeno o la dispersión de óxido de grafeno en una botella de succión con una membrana de filtro y luego realice la succión al vacío. Aspirar para que la membrana se adhiera a la membrana base. Dikin et al. prepararon películas de óxido de grafeno con un espesor de 1 a 30 μm por primera vez mediante filtración por succión. Las pruebas mecánicas muestran que el módulo de las películas GO llega a 32 GPa, mucho más alto que el de las películas tradicionales. Posteriormente, Li et al. utilizaron una funda de membrana de grafeno químicamente reducida preparada mediante un método de filtración al vacío para realizar la separación de fases líquidas impulsada por presión. Los experimentos muestran que en condiciones reductoras de 90°C, el flujo de agua alcanza 41 L·m-2h-1 bar-1, y las partículas de nanooro y nanoplatino quedan básicamente atrapadas. Huang et al. obtuvieron una membrana de ultrafiltración GO sobre una membrana de policarbonato (PC) mediante filtración al vacío. Se descubrió que los pliegues a nanoescala entre las láminas de GO eran los principales canales para iones y moléculas. El tamaño de los pliegues se puede ajustar controlando la presión externa, la concentración de sal y el valor de pH, regulando así directamente la estructura de los poros y el rendimiento del tamiz molecular de la membrana de separación GO. Los grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie de GO aumentan el espacio interlamelar, lo que no favorece la interceptación de moléculas pequeñas. Por lo tanto, después de que los grupos funcionales de la superficie se eliminan mediante reducción, el espaciado interlaminar se puede reducir aún más y se puede mejorar el rendimiento de interceptación.
El método de filtración al vacío es fácil de operar, tiene una variedad de opciones de membrana base y el espesor de la película se puede ajustar según la concentración de la solución. La membrana preparada mediante este método tiene buenas propiedades mecánicas y un excelente rendimiento de separación, pero se daña fácilmente durante el proceso de separación de la membrana base y su integridad es difícil de mantener. El recubrimiento por rotación es un método de formación de película simple y eficaz. La solución se dispersa uniformemente sobre el sustrato ajustando la velocidad de rotación y luego se seca para obtener una película. En 2008, Becerril et al. utilizaron recubrimiento por rotación para cubrir uniformemente una solución de óxido de grafeno sobre la superficie del vidrio y sustratos estacionales para preparar películas delgadas de GO. Lue et al. descubrieron que, en comparación con el método de recubrimiento por gota, la membrana compuesta de ácido perfluorosulfónico/óxido de grafeno construida mediante el método de recubrimiento por rotación es beneficiosa para producir una estructura de apilamiento en capas bien dispuesta, reduciendo así la permeabilidad del combustible y mejorando el rendimiento de la pila de combustible. Kim et al. descubrieron que la humedad entre las láminas de GO se eliminará durante el proceso de recubrimiento por rotación, formando así una fuerte fuerza capilar, que favorece la deposición de las láminas de GO y forma una estructura relativamente densa. El flujo de gas de la membrana de separación está relacionado con la presión transmembrana y es inversamente proporcional a la masa molecular relativa del gas (excepto CO2). A 140°C, la permeabilidad selectiva de H 2 /CO 2 puede alcanzar 40. El método de recubrimiento por rotación requiere una estructura de equipo simple, condiciones controlables y el área y el espesor de la película se pueden ajustar hasta cierto punto. Sin embargo, este método es difícil de preparar en áreas grandes y tiene problemas con la formación de película desigual. El método de pulverización utiliza un equipo de pulverización para pulverizar uniformemente óxido de grafeno o dispersión de grafeno sobre el sustrato para formar una película fina. 2.3 Método de autoensamblaje capa por capa El método de autoensamblaje capa por capa (LbL) deposita y autoensambla películas multicapa mediante enlaces de hidrógeno, atracción electrostática y enlaces de valencia. Como método simple y eficiente, el método LbL ha construido con éxito una variedad de estructuras de membranas compuestas ultrafinas. Los abundantes grupos funcionales en la superficie del óxido de grafeno y su buena solubilidad en agua lo convierten en uno de los materiales ideales para la construcción de membranas compuestas mediante el método LbL. Hu et al. fueron los primeros en utilizar una membrana de polisulfona modificada con dopamina como capa de soporte y cloruro de tribenzoilo (TMC) como agente de reticulación para autoensamblar GO capa por capa para formar una membrana GO multicapa. Este método construye una estructura de membrana de separación de grafeno estable mediante reticulación de valencia. La membrana aún puede permanecer intacta bajo lavados repetidos y condiciones ultrasónicas, y su flujo de agua puede alcanzar de 4 a 10 veces el de las membranas de nanofiltración tradicionales. Zhao et al. utilizaron el método LbL para preparar películas compuestas de polietilenimina/óxido de grafeno bajo la acción de un campo eléctrico externo. Los experimentos muestran que durante el proceso de ensamblaje de la película compuesta, el campo eléctrico externo acelera la velocidad de deposición y la cantidad de GO en el sustrato, acortando así el tiempo de ensamblaje y reduciendo el número de inmersiones. Además, el campo eléctrico actúa como una fuerza externa uniforme para extender la capa GO de manera uniforme sobre el sustrato, formando así una capa protectora de gas densa y ordenada. Cuando el voltaje aplicado es de 25 V, la tasa de rechazo de hidrógeno de la membrana PEI/GO es un 65 % mayor que la de la membrana compuesta ordinaria. La película compuesta se puede utilizar como capa protectora sobre la superficie del metal para prevenir eficazmente la intrusión de hidrógeno, inhibiendo así la corrosión por hidrógeno. El método de autoensamblaje capa por capa es sencillo de operar y el proceso de producción de la película no está limitado por la forma y el tamaño del sustrato. La película preparada tiene buenas propiedades mecánicas y se utiliza principalmente para construir estructuras complejas de películas multicapa. 4*** El grafeno mixto tiene excelentes propiedades físicas y químicas y se puede combinar con polímeros específicos para formar nuevos materiales compuestos para lograr la modificación funcional de las membranas. Se pueden construir una variedad de membranas de separación modificadas con grafeno mezclando grafeno con materiales poliméricos formadores de membranas o precursores de polímeros. Debido a la estabilidad de los materiales poliméricos, la membrana modificada con grafeno obtenida mediante el método de mezcla ** puede existir de manera estable durante mucho tiempo en condiciones de agua y ácido-base. Wang et al. dispersaron fluoruro de polivinilideno (PVDF) y GO en 2-metilformamida y luego prepararon una membrana de ultrafiltración híbrida mediante un método de inversión de fases. Cuando el contenido de GO es 0,20 en peso, la permeabilidad aumenta a 96,4 y el ángulo de contacto disminuye de 79,2° a 60,7°. Posteriormente, Fryczkowska et al. estudiaron el efecto de GO sobre el rendimiento de las membranas de PVDF y confirmaron que la adición de GO aumentó la hidrofilicidad de la membrana, redujo la porosidad y aumentó el tamaño de los poros de la membrana, aumentando así el flujo de la membrana. Ouyang et al. utilizaron un método de mezcla para fabricar membranas de ultrafiltración a partir de materiales compuestos de óxido de cobalto/óxido de grafeno y polietersulfona. En comparación con la membrana original, cuando el contenido de Co 3 O4-GO era 65438 ± 0,5, el flujo de agua de la membrana compuesta aumentó en 344 y la tasa de rechazo de albúmina sérica bovina todavía estaba por encima de 94.
Después del experimento de filtración de lodo activado (SV = 30), la tasa de recuperación del flujo de la membrana fue tan alta como 81,1, mientras que la membrana original sin modificar fue solo 55,7. La mejora en el rendimiento de la membrana se atribuye principalmente a la distribución uniforme de nanohojas en la matriz polimérica, lo que mejora la hidrofilia de la superficie de la membrana. En comparación con las membranas ordinarias, las propiedades mecánicas, antiincrustantes y de flujo de las membranas híbridas de grafeno preparadas mediante el método híbrido ** mejoran significativamente. Aplicaciones de las membranas de separación a base de grafeno El grafeno es actualmente el material más delgado que se puede utilizar como membrana de separación. El grafeno completo es impermeable a todas las moléculas, mientras que la macromembrana formada al apilar nanohojas de grafeno cara a cara puede atravesar las hojas. Separado con nanocanales entre láminas. Por otro lado, los materiales de grafeno obtenidos mediante la introducción de nanoporos o arrugas diseñadas artificialmente basándose en el efecto de separación del tamiz molecular se pueden utilizar como membranas de separación eficientes. Las membranas de separación basadas en grafeno no sólo se pueden utilizar para la separación de gases y la captura de CO2, sino que también tienen amplias perspectivas de aplicación en campos emergentes como la desalinización de agua de mar y la separación de isótopos.