神户大学膜与薄膜技术研究中心的Matsuyama Hideto教授的研究小组成功开发了一种新型淡化膜。他们通过将二维碳材料层压到多孔聚合物膜的表面上来实现此目的。

脱盐膜用于从海水中生产淡水。为了解决全球淡水资源不足的问题，研究人员正在努力开发脱盐膜，该膜不仅比目前使用的渗透膜更快地被水渗透，而且还可以有效地去除盐分，以便可以使用更有效的低能耗淡化系统。实施的。

在本研究中，二维氧化石墨烯纳米片是一种二维纳米材料，经过化学还原处理后被堆叠在多孔膜的表面，使大约50纳米(nm)的脱盐膜层得以形成。发达。显影的膜具有执行高效脱盐的潜力，因为可以控制其纳米片之间的间隙以及纳米片表面上的电荷。希望这项研究将为未来的淡化膜的应用和实施做出贡献。

这些研究结果发表在2020年11月18日的材料化学杂志A上。

具有带电基团和共轭π系统的基于卟啉的平面分子被引入到纳米片之间。这导致了氧化石墨烯与平面化合物的负电荷之间的静电排斥，使研究人员能够控制阴离子在纳米通道内的运动。

通过这项研究开发的纳米片层压膜能够拒绝95%的氯化钠(NaCl)渗透。将来，这些研究结果将有助于创建用于海水淡化的新型高性能膜技术。

研究背景

地球上97.5%的水是海水，而只有2.5%是淡水。在这个百分比之内，只有0.01%的淡水资源可以很容易地处理以便被人类利用。但是，人口每年仍在增加。因此，据预测，在几年的时间里，世界三分之二的人口将无法获得足够的淡水。世界范围内的水资源短缺是人类面临的最严重问题之一。因此，通过将地球丰富的海水转化为淡水来获得必要资源的技术至关重要。

已经使用蒸发方法将海水转化为淡水，但是它们需要大量的能量才能蒸发海水并去除盐分(脱盐)。另一方面，膜分离方法提供了一种低能耗的替代方法。它们可以通过从海水中过滤水并去除盐分来生产淡水。已经实现了使用膜从海水中生产淡水的方法，但是迄今为止，随着脱盐膜的发展，在渗透速度和脱盐能力之间始终存在折衷。因此，至关重要的是用新材料开发一种革命性的脱盐膜，以解决这一折衷问题，并使以更高的效率对海水进行脱盐成为可能。

该研究团队通过将膜与碳原子厚度近似的二维碳材料层压在一起，开发出了一种高功能的脱盐膜。这些2-D碳材料是氧化石墨烯纳米片，经过化学还原后可以增强π-π相互作用。

通过将具有卟啉基平面分子(带电基团和共轭π系统)的纳米片涂层应用于多孔膜表面，该研究小组能够构建约50nm厚的超薄脱盐膜层。

由于可以将纳米通道的尺寸(每个纳米片之间的间隙)控制在1nm以内，因此该层具有较高的离子阻挡功能。此外，由于片之间的强π-π堆积，纳米片层压膜中的纳米通道之间的间隙表现出连续的水稳定性，这表明其可以长期使用的可能性。此外，即使在20 bar的压力下也不会损失脱盐功能。

研究人员发现，通过纳米片表面的静电排斥作用，可以有效抑制离子在已开发的纳米片层合膜内部的转移。当适当地控制纳米通道的宽度时，这种静电排斥是非常有效的。对于本研究中使用的纳米片材料，可以通过控制化学还原过程和基于卟啉的平面分子的嵌入比例来限制纳米通道的宽度。

NaCl是海水离子的主要成分，要防止其渗透到膜中特别困难。但是，在最佳条件下生产的纳米片层压膜能够阻滞约95%的NaCl。

通过调节氧化石墨烯片的还原度和平面分子的嵌入率，可以生产出通过该研究开发的二维纳米片层合膜，从而既可以控制纳米片之间的层间空间又可以控制静电排斥效应。除了脱盐膜之外，该技术还可以应用于各种电解质分离膜的开发。

使用分离膜的低能耗淡化技术对于减少缺水是必不可少的。希望该技术将有助于解决全球水资源枯竭的问题。接下来，研究团队将尝试进一步改善已开发膜的高功能性，以便将其实施。