الإبحار في عالم المرشحات الغشائية: الأنواع والاستخدامات والفوائد (Ⅱ)

مقدمة: في الجزء السابق من هذه المقالة، الإبحار في عالم المرشحات الغشائية: الأنواع والاستخدامات والفوائد (1)، ناقشنا لمحة عامة عن أغشية الترشيح وقدمنا النوعين الأكثر شيوعًا من أغشية الترشيح، أغشية الترشيح البوليمرية، بما في ذلك البولي إيثر سلفون (PES) والبولي فينيلدين فلوريد الفلوريد (PVDF)، وأغشية الترشيح الخزفية، ووصفنا تحضيرها وتطبيقاتها. كما عرضنا تحضيرها وتطبيقاتها. ستواصل Stanford Advanced Materials (SAM) تقديم أنواع أخرى من الأغشية.

5 الأغشية النانوية

5.1 أغشية ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) الأنابيب النانوية

5.1.1 ما هي أغشية الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)

منذ اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية في عام 1991، جذبت المواد النانوية ذات البنية الأنبوبية الكثير من الاهتمام بسبب خصائصها الفيزيائية الكيميائية الفريدة وتطبيقاتها الواعدة في الإلكترونيات الدقيقة، والحفز التطبيقي، والتحويل الضوئي، وما إلى ذلك. تُستخدم مادة TiO2، بمزاياها المتمثلة في الامتصاص الجيد للأشعة فوق البنفسجية وثابت العزل الكهربائي العالي والخصائص الكيميائية المستقرة، على نطاق واسع في مجالات التحفيز الضوئي وطلاء الخلايا الشمسية ومقاومة التآكل وتنقية الهواء ومعالجة مياه الصرف الصحي وغيرها من المجالات. يتراوح قطر أنابيب ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية عادةً من بضعة إلى عشرات النانومترات، في حين يمكن أن يتراوح طولها من بضع مئات من النانومترات إلى عدة ميكرومترات. ويسمح هذا الحجم النانوي للأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم النانوية بأن يكون لها مساحة سطح محددة عالية، وقدرة عالية للبطارية وخصائص ضوئية خاصة، ما يجعل أغشية الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم النانوية ذات نطاق واسع من التطبيقات في التحفيز الضوئي، وإعداد الأجهزة الضوئية، وإعداد أجهزة الاستشعار، ومجالات التفاعل الناتجة ذات الصلة مثل تنقية المياه والهواء ومعالجتهما.

الشكل 6 البنية المجهرية لأنابيب ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية

5.1.2 طرق تركيب أغشية الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)

تشمل طرق التحضير الشائعة للأغشية الرقيقة للأنابيب النانوية TiO2 طريقة المحلول، وطريقة ترسيب مرحلة البخار، والطريقة الكهروكيميائية، ومن بينها طريقة المحلول الأكثر استخدامًا نظرًا لمزايا العملية البسيطة وغير المكلفة، فضلاً عن القدرة على التحكم في مورفولوجيا الحجم بشكل أفضل.

تعتمد طريقة المحلول على سلائف TiO2 في المحلول، وفي ظل ظروف محددة (على سبيل المثال، درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والأس الهيدروجيني، والمذيب، وما إلى ذلك)، يتم تشكيل أفلام الأنابيب النانوية TiO2 من خلال التحكم في عمليات الترسيب والانحلال ونمو البلورات. وتشمل مزايا طريقة المحلول لتحضير أغشية الأنابيب النانوية TiO2 بساطة التحضير، وانخفاض التكلفة، وملاءمة التحضير على مساحة كبيرة.

الترسيب في طور البخار هي طريقة تستخدم سلائف TiO2 في الطور الغازي لتشكيل أغشية رقيقة عن طريق ترسيبها على سطح الركيزة في بيئة ذات درجة حرارة عالية. وتشمل هذه الطريقة كلاً من ترسيب البخار الكيميائي (CVD) والترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). في طريقة الترسيب الكيميائي بالترسيب بالبخار الكيميائي، يتم تشكيل فيلم TiO2 عن طريق تغذية مركب غازي سليفة في غرفة تفاعل وتحلله وترسيبه على سطح الركيزة عند درجات حرارة عالية. في طريقة PVD، يتم استخدام عملية فيزيائية (على سبيل المثال، الرش والتبخير) لتحويل مادة مصدر TiO2 الصلبة إلى حالة غازية، والتي يتم ترسيبها بعد ذلك على سطح الركيزة. تشمل مزايا طريقة ترسيب البخار لتحضير أفلام الأنابيب النانوية TiO2 تقليل الشوائب الناتجة أثناء عملية التحضير وجودة الفيلم الأعلى.

وتستخدم الطرق الكهروكيميائية التفاعلات الكهروكيميائية لإيداع الأنابيب النانوية TiO2 على سطح القطب. وتتمثل إحدى الطرق الكهروكيميائية الشائعة في عملية الأنودة، حيث يتم تشكيل طبقة أكسيد على سطح الركيزة عن طريق تطبيق جهد كهربائي في إلكتروليت معين، ثم تُستخدم طبقة الأكسيد هذه كقالب لتنمية الأنابيب النانوية TiO2 في ظل ظروف محددة. تشمل مزايا التحضير الكهروكيميائي لأغشية الأنابيب النانوية TiO2 بساطة عملية التحضير، وسهولة التعامل معها، وحقيقة أنه يمكن إجراؤها في درجة حرارة الغرفة.

5.1.3 كيف تُستخدم أغشية الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)

1. معالجة المياه: يمكن استخدام أغشية أنابيب ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية في معالجة المياه لإزالة الملوثات الدقيقة وتحسين جودة المياه. فمساحة سطحها النوعية العالية وخصائصها التحفيزية الضوئية تمكنها من امتصاص الملوثات مثل المواد العضوية وأيونات المعادن الثقيلة والكائنات الدقيقة في المياه وتحليلها بفعالية، وتحقيق تنقية المياه وتطهيرها. على سبيل المثال، يمكن تحفيز الجمع بين غشاء الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم وتكنولوجيا التحفيز الضوئي لإنتاج أنواع الأكسجين النشط من خلال تشعيع الأشعة فوق البنفسجية، لإزالة الملوثات العضوية والبكتيريا في الماء.

2. تنقية الهواء: يمكن استخدام أغشية الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم النانوية أيضًا لتنقية الهواء، وإزالة المواد العضوية المحمولة في الهواء، والمركبات العضوية المتطايرة والفورمالديهايد والغازات الضارة الأخرى. وعلى غرار التطبيقات في معالجة المياه، يمكن استخدام الخصائص التحفيزية الضوئية لأغشية الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم النانوية لإشعاع الأشعة فوق البنفسجية على الغشاء لتعزيز تدهور الغازات الضارة وإزالتها.

3. ترشيح المواد الجسيمية: على الرغم من أن أغشية الأنابيب النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم النانوية هي في المقام الأول محفزة ضوئيًا، إلا أن هيكلها الأنبوبي النانوي يجعلها أيضًا قادرة على ترشيح الجسيمات إلى حد ما. على الرغم من أن أداء الترشيح هذا قد لا يكون فعالاً مثل مواد الترشيح الأخرى، إلا أنه لا يزال له تأثير ترشيح معين في سيناريوهات تطبيق محددة ويمكن استخدامه كطبقة ترشيح إضافية.

5.2 أغشية أكسيد الجرافين (GO)

5.2.1 مقدمة عن أغشية أكسيد الجرافين (GO)

أكسيد الجرافين (GO) هو أكسيد الجرافين، وهو أكثر نشاطًا من الجرافين بسبب زيادة المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين على الجرافين بعد الأكسدة ويمكنه تحسين خصائصه من خلال تفاعلات مختلفة مع المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين. رقائق أكسيد الجرافين هي نتاج الأكسدة الكيميائية وتقشير مسحوق الجرافيت. وأكسيد الجرافين عبارة عن طبقة ذرية واحدة يمكن توسيعها بسهولة إلى عشرات الميكرومترات في الحجم الجانبي. وعلى هذا النحو، يمتد هيكلها على نطاق نموذجي في الكيمياء العامة وعلوم المواد. يمكن اعتبار أكسيد الجرافين نوعًا غير تقليدي من المواد اللينة ذات خصائص البوليمرات والغرويات والأغشية الرقيقة والجزيئات البرمائية.

ويحتوي أكسيد الجرافين على كمية كبيرة من محتوى الأكسجين (مثل مجموعات الهيدروكسيل ومجموعات الكربوكسيل وغيرها)، والتي تشكل عيوبًا ومجموعات وظيفية بين طبقات الجرافين، مما يؤدي إلى تكوين هياكل دقيقة المسام في الفجوات بين الطبقات. وتمنح هذه الهياكل الدقيقة المسامية أغشية ترشيح أكسيد الجرافين درجة عالية من المساحة السطحية والنفاذية. يمكن استخدام هذه الهياكل الصغيرة المسامية في كل من الترشيح الفيزيائي، أي منع أو السماح للجزيئات في السوائل أو الغازات بالمرور بشكل انتقائي وفقًا لحجم المسامات الدقيقة، وإزالة المواد الصلبة العالقة والمواد المذابة والكائنات الحية الدقيقة وما إلى ذلك. كما يمكن للمجموعات الوظيفية الموجودة على سطح غشاء الترشيح بأكسيد الجرافين أن تمتزج كيميائيًا مع جزيئات المذاب بحيث يتم امتصاص جزيئات المذاب أو تعلق على سطح غشاء الترشيح، وبالتالي إزالة المواد العضوية وأيونات المعادن الثقيلة والملوثات الأخرى في السائل أو الغاز. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تكون المجموعات الوظيفية على سطح غشاء الترشيح بأكسيد الجرافين مشحونة إيجابًا أو سلبًا، ويمكن أن تؤثر تأثيرات الشحنة هذه على امتصاص وتوزيع جزيئات المذاب على سطح غشاء الترشيح، وبالتالي تحقيق الترشيح الانتقائي لمواد مذابة محددة.

بالإضافة إلى ذلك، تتمتع بعض أغشية ترشيح أكسيد الجرافين بنشاط تحفيزي ضوئي، أي عند تعرضها للضوء، يمكن لأكسيد الجرافين على السطح أن يولد أنواعًا تفاعلية من الأكسجين مثل جذور الهيدروكسيل وأيونات الأكسيد الفائق، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تؤكسد المواد العضوية وتحللها، وبالتالي تحقيق تدهور وإزالة الملوثات العضوية في الماء.

الشكل 7 هيكل أكسيد الجرافين (GO)

5.2.2.2 طرق التحضير المختلفة لأغشية أكسيد الجرافين (GO)

يتم الحصول على أكسيد الجرافين من خلال تفاعل أكسدة الجرافين، بشكل عام، هناك طريقتان: طريقة هامرز وطريقة برودي.

1. طريقة هامرز: يتم خلط الجرافين مع حمض الكبريتيك المركز وتقليبها حتى يتم التلامس الكامل، ثم يضاف حمض النيتريك ويقلب التفاعل عند درجة حرارة أقل من 5 ℃، وبعد ذلك يضاف بيروكسيد الهيدروجين المبرد إلى التفاعل، وتضاف كمية كبيرة من الماء لتخفيف محلول التفاعل في نهاية التفاعل، ويتم الحصول على أكسيد الجرافين عن طريق الترشيح والغسيل والتجفيف وغيرها من الخطوات.

الشكل 8 تحضير أكسيد الجرافين بطريقة هامرز

2. طريقة برودي: يتم خلط مسحوق الجرافيت وحمض النيتريك المركز، مع التحريك أثناء إضافة حمض الكبريتيك البارد، تنتج أكسدة حمض النيتريك لتفاعل الجرافيت NO2، بعد نهاية التفاعل، إضافة كمية كبيرة من الماء لتخفيف محلول التفاعل، بعد الترشيح والغسيل والتجفيف وخطوات أخرى للحصول على أكسيد الجرافين.

غالبًا ما يتم تحويل أكسيد الجرافين إلى أغشية رقيقة بطريقة الطلاء وطريقة ترسيب البخار الكيميائي والطريقة الحرارية المائية.

1. طريقة الطلاء: الخطوات بسيطة نسبيًا، يضاف مسحوق أكسيد الجرافين إلى كمية مناسبة من المذيب ويقلب بالتساوي لجعله مشتتًا، ويطلى المحلول بالتساوي على الركيزة لجعله جافًا، ثم تكرر الخطوات المذكورة أعلاه حتى يصبح السمك مناسبًا.

2. ترسيب البخار الكيميائي (CVD): يوضع مسحوق أكسيد الجرافين في فرن عالي الحرارة ويتم تسخينه إلى أكثر من 700 درجة مئوية. يتدفق غاز أو أكثر من الغازات التي تحتوي على مصادر الكربون (مثل الميثان والإيثيلين وغيرهما) إلى غرفة التفاعل، وتتحلل غازات مصدر الكربون عند درجات حرارة عالية لتكوين الجرافين، الذي يتفاعل مع الأكاسيد الموجودة على سطح أكسيد الجرافين لتوليد أغشية أكسيد الجرافين.

3. الطريقة الحرارية المائية: بالمقارنة مع طريقة ترسيب البخار الكيميائي، تكون درجة حرارة التفاعل المطلوبة أقل، ويضاف مسحوق أكسيد الجرافين إلى كمية مناسبة من المذيب، ويتم تسخينه إلى درجة الحرارة المناسبة، ثم يضاف عامل الاختزال (مثل الهيدروجين والأمونيا وغيرها) إلى نظام التفاعل، ويضاف عامل الاختزال في الظروف الحرارية المائية لتقليل أكسيد الجرافين والحصول على الفيلم.

5.2.3 سيناريوهات تطبيق أغشية أكسيد الجرافين (GO) المختلفة

1. معالجة المياه وتنقية الهواء: لا يمكن لغشاء أكسيد الجرافين إجراء الترشيح التقليدي فحسب، بل إن انتقائيته الجزيئية تجعل من الممكن تحقيق تحلية المياه وفصل الزيت عن الماء وما إلى ذلك. وفي الوقت نفسه، يمكن لهيكله الصغير الذي يسهل اختراقه ومكوناته المؤكسدة أيضًا إزالة المواد العضوية وكذلك أيونات المعادن الثقيلة، وما إلى ذلك، مما يزيل الجسيمات والمواد المذابة والملوثات بشكل فعال.

2. الفصل الجزيئي: يمكن للهيكل الصغير المسامي لغشاء ترشيح أكسيد الجرافين أن ينظم النفاذية والفصل الانتقائي للجزيئات، لذلك له قيمة تطبيقية محتملة في فصل الغاز، وفصل المذيبات، والفحص الجزيئي، وما إلى ذلك. على سبيل المثال، يمكن استخدام غشاء الترشيح بأكسيد الجرافين لتحقيق التقاط ثاني أكسيد الكربون وفصل الغازات والتنقية العضوية.

3. الطب الحيوي: يتميز غشاء الترشيح بأكسيد الجرافين بالتوافق الحيوي والامتصاص الحيوي الجيد، لذلك يتم استخدامه في مجالات الاستشعار الحيوي والفصل الحيوي والتحليل الحيوي. على سبيل المثال، يمكن استخدام أغشية ترشيح أكسيد الجرافين في زراعة الخلايا وفصل البروتين والتقاط الحمض النووي.

4. الطاقة: تُستخدم أغشية الترشيح بأكسيد الجرافين في أجهزة مثل البطاريات والمكثفات الفائقة وخلايا الوقود في قطاع الطاقة كأغشية نقل الأيونات وأغشية الإلكتروليت لتحسين أداء الأجهزة واستقرارها.

5.3 غشاء الأنابيب النانوية الكربونية (CNT)

5.3.1 خصائص غشاء الأنابيب النانوية الكربونية (CNT)

أنبوب الكربون النانوي النانوي (CNT)، هو أنبوب مجوف غير ملحوم يتكون من رقائق الجرافيت الملتفة. يتم تهجين ذرات الكربون في الأنابيب النانوية الكربونية وترتبط بطريقة sp2، مع وجود حلقة سداسية الأعضاء كوحدة هيكلية أساسية، مما يعطي الأنابيب النانوية الكربونية معامل يونج مرتفع ويجعلها مادة ذات قوة كسر عالية لا تتلف بسهولة في حالات الانحناء. أما أغشية الأنابيب النانوية الكربونية فهي عبارة عن هياكل شبكية ثنائية الأبعاد من الأنابيب النانوية الكربونية تتكون من أنابيب نانوية كربونية فردية مملوءة فيزيائياً أو كيميائياً بصفائف من الأنابيب النانوية الكربونية المرتبة بحرية، مع خصائص مرتبطة بتشكل الأنابيب النانوية الكربونية واتجاهها ودرجة عيوبها ونسبة الطول إلى القطر. وتتميز أغشية الأنابيب النانوية الكربونية ببنية مسام نانوية عالية المقياس النانوي ومساحة سطح محددة كبيرة، مما يجعل غشاء المرشح ذو مساحة سطح كبيرة، مما يساعد على امتصاص المواد المذابة وفصلها. يتميز هيكل مسام الغشاء بأبعاد نانوية، مما يجعله فعالاً في حجب المواد المذابة، مثل الجسيمات والجزيئات العضوية وما إلى ذلك. وعلى الرغم من بنية المسام النانوية، تتمتع أغشية الترشيح بالأنابيب النانوية الكربونية بنفاذية عالية، مما يسهل المرور السريع للمواد المذابة ويقلل من مقاومة الترشيح. تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بثبات كيميائي جيد وقوة ميكانيكية ومرونة عالية ويمكنها التكيف مع معظم البيئات للحفاظ على استقرار خصائصها الهيكلية. هناك طرق مختلفة لإعداد أغشية الترشيح بالأنابيب النانوية الكربونية، والتي يمكن تحقيقها من خلال تعديل الهيكل والكثافة وعدد الطبقات وغيرها من المعلمات للأنابيب النانوية الكربونية لتنظيم أداء أغشية الترشيح لتلبية احتياجات سيناريوهات التطبيقات المختلفة.

الشكل 9 هيكل تخطيطي لأشكال مختلفة من مونومرات الكربون

5.3.2 مناهج تركيب أغشية ترشيح الأنابيب النانوية الكربونية

1. ترسيب البخار الكيميائي (CVD): تشمل غازات مصدر الكربون المستخدمة عادةً الهيدروكربونات مثل الإيثيلين والميثان، في حين يتم عادةً اختيار المحفزات المعدنية مثل الحديد والنيكل والكوبالت وغيرها من المواد الحفازة. يتم وضع الركيزة المراد ترسيبها (على سبيل المثال، رقاقة السيليكون، رقاقة زجاجية، إلخ) في غرفة التفاعل لضمان أن يكون سطح الركيزة نظيفًا ومسطحًا. يتم تسخين غرفة التفاعل إلى درجة حرارة مناسبة ثم يتم استخراجها إلى مستوى تفريغ معين لضمان نقاء الغازات واستقرارها أثناء عملية التفاعل. يتم إدخال غاز مصدر الكربون والغاز الحفاز في غرفة التفاعل من خلال نظام إمداد الغاز للتحكم في معدل تدفق الغاز وحجم التدفق. يتفكك غاز مصدر الكربون على سطح المحفز لتوليد ذرات الكربون التي تترسب لاحقًا على سطح الركيزة لتكوين أنابيب الكربون النانوية. ويتم التحكم في وقت نمو الأنابيب النانوية الكربونية، الذي يتراوح عادةً من دقائق إلى ساعات، للتحكم في طول الأنابيب النانوية وكثافتها. وينتج عن النمو المطول أنابيب نانوية كربونية أطول وأكثر كثافة. في نهاية النمو، يتم إيقاف إمداد مصدر الكربون والغاز المحفز ويتم تبريد غرفة التفاعل إلى درجة حرارة الغرفة. في نهاية التفاعل، تتم إزالة الغاز المتبقي في غرفة التفاعل عن طريق تزويد غاز خامل مثل النيتروجين أو الأرجون.

2. طريقة الطلاء: يتم طلاء معلق الأنابيب النانوية الكربونية على سطح الركيزة عن طريق الطلاء بالدوران أو الرش أو التنظيف بالفرشاة أو الدرفلة. أثناء عملية الطلاء، يمكن التحكم في المعلمات مثل سرعة الطلاء وسرعة دوران رأس الطلاء للتحكم في سمك وتوحيد الطبقة. بعد الطلاء، يوضع الطلاء في منطقة جيدة التهوية أو على مقعد ساخن لتحفيز تبخر المذيب. بعد أن يتبخر المذيب تمامًا، يتم إجراء التجفيف لتشكيل طبقة موحدة من الأنابيب النانوية الكربونية. اختياريًا، تتم معالجة فيلم الأنابيب النانوية الكربونية بالحرارة لتحسين التبلور والخصائص الميكانيكية للفيلم. يمكن تعديل ظروف المعالجة الحرارية حسب الحاجة وعادةً ما يتم إجراؤها تحت جو غاز خامل.

3. الترشيح: تشمل مواد أغشية الترشيح شائعة الاستخدام أغشية البولي كربونات (PC) والبوليستر (PET) والبولي أميد (Nylon)، بينما يتم اختيار حجم المسام عادةً بناءً على سمك الغشاء المطلوب والنفاذية. يتم ترشيح معلق الأنابيب النانوية الكربونية على غشاء المرشح عن طريق التفريغ أو الضغط. ويمكن إجراء عمليات الترشيح باستخدام معدات مثل قمع الترشيح بالتفريغ أو المرشحات الغشائية.

4. طريقة التجريد: تشمل طرق التجريد الشائعة التجريد الميكانيكي، حيث يتم تجريد طبقة الأنابيب النانوية الكربونية مباشرة من الركيزة باستخدام أدوات التجريد (مثل, الأشرطة، والكاشطات، وما إلى ذلك)؛ والتجريد الكيميائي، حيث يتم وضع فيلم الأنابيب النانوية الكربونية المزروعة في مذيب أو محلول مناسب بحيث تتلف الرابطة بين الفيلم والركيزة لتحقيق التجريد؛ والتجريد الحراري، حيث يتم تسخين الركيزة أو الفيلم لجعلها تتمدد أو تنكمش حرارياً لتدمير الرابطة بين الركيزة والفيلم لتحقيق التجريد؛ والتجريد الحراري، حيث يتم تسخين الركيزة أو الفيلم لجعلها تتمدد أو تنكمش حرارياً لتدمير الرابطة بين الركيزة والفيلم لتحقيق التجريد. والفيلم عن طريق تسخين الركيزة أو الفيلم، مما يؤدي إلى تمددها وتقلصها حراريًا، وبالتالي كسر الرابطة بين الركيزة والفيلم.

5.3.3 استخدام أغشية الأنابيب النانوية الكربونية (CNT)

من التطبيقات الفريدة للأنابيب النانوية الكربونية، بالإضافة إلى التطبيقات الوظيفية المشابهة لأنواع أخرى من أغشية الترشيح، استخدامها كأغشية تناضح عكسي. غشاء التناضح العكسي هو تقنية فصل الأغشية القادرة على فصل الشوائب والأيونات والكائنات الحية الدقيقة وما إلى ذلك من المياه، والتي تستخدم على نطاق واسع في مجالات مياه الشرب ومعالجة مياه الصرف الصناعي وتحلية مياه البحر. ومع ذلك، يعاني غشاء التناضح العكسي من مشكلة التدفق المنخفض وكفاءة المعالجة المنخفضة. لحل هذه المشكلة، أدخل العلماء الأنابيب النانوية الكربونية في أغشية التناضح العكسي. تتميز الأنابيب النانوية الكربونية بخصائص ممتازة مثل مساحة السطح النوعية العالية والقوة العالية والتوصيل العالي، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تشكل نوعًا من قناة موصل البروتون في غشاء التناضح العكسي وزيادة التدفق. في الوقت نفسه، يمكن للأنابيب النانوية الكربونية أيضًا امتصاص الكائنات الحية الدقيقة الأيونات والشوائب الأخرى في الماء، والتي يمكن أن تحسن بشكل فعال من كفاءة تنقية المياه وعمر غشاء التناضح العكسي. في الوقت الحاضر، تم وضع غشاء التناضح العكسي القائم على الأنابيب النانوية الكربونية في الاستخدام التجاري، في مجال مياه الشرب وتحلية مياه البحر، وغيرها من المجالات للحصول على نتائج مهمة. في المستقبل، سيتم تطوير تكنولوجيا البحث والتحضير لمواد الأنابيب النانوية الكربونية بشكل أكبر، وسيتم تحسين تدفق وكفاءة معالجة أغشية التناضح العكسي بشكل مستمر.

الجدول 2 مقارنة بين خواص الأنابيب النانوية TiO2 و GO و CNT

6 الأغشية القائمة على الإطار العضوي المعدني (MOF)

6.1 ما هي أغشية موف (MOF)

الإطار العضوي المعدني (MOF) هو فئة من المواد المسامية البلورية ذات بنية شبكية دورية تتشكل من خلال الربط بين المراكز المعدنية غير العضوية والربط بين الروابط العضوية من خلال التجميع الذاتي. موف عبارة عن مادة عضوية غير عضوية هجينة، تُعرف أيضًا باسم بوليمر التنسيق، والتي تتمتع بصلابة المواد غير العضوية ومرونة المواد العضوية. وتتميز بصلابة المواد غير العضوية ومرونة المواد العضوية. الهيكل العظمي المعدني العضوي عبارة عن بوليمر تنسيقي يتكون عن طريق التجميع الذاتي للرباطات العضوية متعددة الأقطاب التي تحتوي على الأكسجين والنيتروجين وغيرها وأيونات الفلزات الانتقالية، والتي تختلف عن كل من المواد المسامية غير العضوية والمجمعات العضوية العامة. يتم تحديد الهياكل من نوع العمود الفقري في أبعاد مختلفة بشكل أساسي من خلال التفاعلات التنسيقية بين الروابط العضوية وأيونات الفلزات وكذلك الروابط الهيدروجينية. ستشغل المتفاعلات المتبقية والجزيئات الصغيرة المذيبة أثناء عملية التخليق مسام بنية الهيكل العظمي، في حين أن إزالة الجزيئات الصغيرة عن طريق معالجة التنشيط يمكن أن تترك بنية مسام ثابتة. وعلاوة على ذلك، يمكن تغيير حجم وهيكل المسام من خلال بنية الروابط العضوية ونوع أيونات المعادن في المواد الخام المُصنّعة للتحكم في مساحة السطح المحددة والمسامية لتناسب التطبيقات المختلفة. في الوقت الحاضر، يمكن تصنيع مواد الهيكل العظمي المعدني العضوي المستخدم مع الروابط العضوية المحايدة غير المتجانسة المحتوية على النيتروجين أو بشكل أساسي مع الروابط الأنيونية العضوية المحتوية على الكربوكسيل بكميات كبيرة، مما يدل على إمكانات كبيرة للتطوير والتطبيق في أبحاث المواد الحديثة.

6.2 كيفية إنتاج أغشية موف MOF

1. طريقة التوليف في الموقع: وفقًا لخصائص السطح الخاصة للناقل نفسه، يتم وضع الناقل مباشرة في نظام التوليف، وفي ظل ظروف معينة، يتلامس سطح الناقل وليلة تشكيل الفيلم مباشرة وبالتالي يتفاعلان، لإعداد غشاء مستمر. طريقة التوليف في الموقع بسيطة وسهلة التشغيل، وسهلة لتحقيق الإنتاج على نطاق واسع، ولكن من الصعب إعداد غشاء موف مستمر، لأن الخصائص الكيميائية بين مواد موف والحامل أكثر اختلافًا، ويقل معدل التنوي البلوري، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة التنوي غير المتجانس لبلورات موف على سطح الحامل، وضعف الترابط بين الغشاء والحامل.

2. طريقة النمو الثانوي للبذور البلورية الثانوية: استخدم أولاً الطريقة الحرارية المائية لجعل البذور البلورية تنمو على الركيزة، ثم بعد عملية التنوي البلوري، نمو طبقة الغشاء، النمو الثانوي للمادة للغشاء الكثيف. وأخيرًا، الأنواع البلورية المسامية لسطح الركيزة المسامية بعد ارتفاع درجة الحرارة، وتفاعل التكثيف بين المجموعات، وحبيبات الزيوليت مجتمعة لتشكيل روابط تساهمية. ومع ذلك، فإن الطريقة محدودة إلى حد ما لأن غشاء المرشح لا يتحمل درجات الحرارة العالية.

الشكل 10 تركيب تخطيطي لفيلم موف: فيلم PSS@ZIF-8

6.3 كيف يتم استخدام أغشية موف

بالإضافة إلى التطبيقات الوظيفية المشابهة للأنواع الأخرى من أغشية الترشيح، يمكن استخدام أغشية موف في معالجة أيونات المعادن الثقيلة. تحتوي أغشية MOF على بنية مسامية عالية الترتيب مكونة من أيونات المعادن والرباطات العضوية من خلال الترابط الكيميائي للرباط. ويتميز هذا الهيكل المسامي بقطر مسامي وحجم مسام قابل للضبط، مما يوفر العديد من مواقع الامتزاز والقنوات، وهي مواتية لامتصاص أيونات المعادن الثقيلة وتضمينها. يتيح ذلك إمكانية استخدام أغشية موف في مجال معالجة المياه، مثل إزالة ملوثات أيونات المعادن الثقيلة، مثل الرصاص والكادميوم والزئبق، من المياه الجوفية ومياه الصرف الصناعي ومياه الصرف الصحي البلدية. وتسمح أحجام المسام التي يمكن التحكم فيها بدرجة كبيرة والتوظيف السطحي لأغشية موف بالامتصاص الفعال والفصل الانتقائي لأيونات معادن ثقيلة محددة. كما أنها تلعب دورًا في معالجة الامتزاز واستعادته في عمليات المعالجة البيئية ومعالجة مياه الصرف الصحي. يمكن لأفلام MOF تحقيق التقاط واستعادة المعادن المستهدفة بكفاءة أثناء امتزاز أيونات المعادن الثقيلة. من خلال طرق المعالجة اللاحقة المناسبة، يمكن امتصاص أيونات المعادن الثقيلة الممتصة من غشاء موف، مما يحقق الاستعادة الفعالة وإعادة استخدام الموارد المعدنية.

7 غشاء المرشح المركب

تختلف أغشية الترشيح المركبة عن أغشية الترشيح التقليدية أحادية المادة من حيث أنها تجمع بين مادتين أو أكثر لإعطاء دور كامل لنقاط القوة الخاصة بكل منهما وتعويض أوجه القصور في كل منهما، وبالتالي تحقيق ترشيح أكثر كفاءة وموثوقية. ويمكن أن تشمل هذه المواد البوليمرات والسيراميك والمعادن والمواد النانوية وغيرها. وتتميز كل مادة بخصائص فيزيائية وكيميائية وميكانيكية فريدة من نوعها، ويمكن دمجها بمرونة وفقًا لمتطلبات الترشيح المختلفة.

في بطاريات الليثيوم أيون، يعمل غشاء مركب PVDF-MOF مع طبقة MOF مستمرة كغشاء عالي الأداء. يمكن لبنية المسام الموحدة والقنوات شبه النانوية ذات المواقع المعدنية المفتوحة المتصلة في طبقة موف المستمرة أن تولد تدفق ليثيوم+ موزع بشكل موحد، وتمنع تكوين نتوءات شجيرية وتحسن الأداء الكهروكيميائي.

الشكل 11 الفاصل المركب PVDF-MOF المركب بطبقة موف المستمرة [5]

في مجال تحلية مياه البحر، برزت عملية التقطير الغشائي (MD) كاستراتيجية بديلة لتحلية مياه البحر يمكن أن تقلل إلى حد كبير من التكاليف الرأسمالية واستهلاك الطاقة. في عملية MD، تتم إزالة ما يقرب من 100٪ من المواد غير المتطايرة ولا توجد قيود على تركيز مياه التغذية، في حين أن عملية التناضح العكسي المدفوعة بالضغط (RO) لديها إمكانات أقل لمعالجة المحاليل عالية الملوحة مع استرداد المياه المنخفضة. يتم فصل المكونات المتطايرة من خليط التغذية باستخدام غشاء مسامي دقيق كاره للماء، ويعمل النظام تحت درجة غليان سائل التغذية. بالنسبة لتطبيقات MD، غالبًا ما تُفضل المواد البوليمرية ذات الطاقة السطحية المنخفضة والاستقرار الحراري العالي والاستقرار الكيميائي والخمول. ويُعتبر البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) والبولي فينيل فلوريد البولي فينيل فلوريدين (PVDF) من المواد الغشائية الأساسية المتاحة تجاريًا للتقطير بالغشاء المفرغ من الهواء (VMD) نظرًا لثباتها الحراري العالي وكراهيتها للماء. ويُعد كل من PVDF وPTFE البوليمرات المثالية لتطبيقات التقطير بالغشاء الفراغي بسبب مقاومتها الكيميائية الممتازة ومتانتها. وتسمح هذه الخصائص ل PVDF بتحمل البيئات الكيميائية القاسية التي غالبًا ما تواجهها أنظمة التفريغ بالتفريغ الموزّع بالتناوب VMD، مما يضمن موثوقية تشغيلية طويلة الأجل. ومن ناحية أخرى، تلعب مادة PTFE دورًا رئيسيًا بفضل خصائصها غير اللاصقة ومقاومتها الممتازة لدرجات الحرارة العالية. في التفكيك بالتقطير المتناهي الصغر، يساعد PTFE على تحسين أداء الغشاء ويمنع التلوث بشكل فعال، وبالتالي ضمان نقل البخار دون عائق وبكفاءة في جميع أنحاء الغشاء أثناء التقطير. في تطبيقات VMDD، يحسّن الاستخدام التآزري ل PVDF وPTFE من المتانة والمقاومة الكيميائية والكفاءة التشغيلية لنظام الغشاء الكلي.

الشكل 12 مخطط انسيابي حول تحضير غشاء مركب PVDF-PTFE دقيق المسام [6]

8 الخلاصة

تُستخدم أغشية الترشيح المصنوعة من مواد مختلفة في مجالات مختلفة نظرًا لخصائصها المختلفة ويمكن اختيارها وفقًا للاحتياجات المختلفة بالإضافة إلى عملية الترشيح الأساسية. لا يمكن لشركة Stanford Advanced Materials (SAM) توفير مجموعة واسعة من منتجات أغشية الترشيح فحسب، بل تقدم أيضًا نصائح اختيار احترافية، والتي يمكنك استشارتها على الفور.

قراءة ذات صلة:

دراسة حالة: مرشحات الأغشية

المراجع:

[1] [1] Khayet M، Feng C، Khulbe K، وآخرون. إعداد وتوصيف أغشية الألياف المجوفة من البولي فينيلدين فلوريد الفلورايد للترشيح الفائق [J]. بوليمر، 2002، 43 (14).

[2] Li M، Cheng S، Zhang J، وآخرون. أغشية مركبة قائمة على البولي (فلوريد الفينيلدين) مع طبقة إطار عمل معدني عضوي مستمر لفواصل عالية الأداء لبطاريات الليثيوم أيون [J]. مجلة الهندسة الكيميائية، 2024، 487.

[3] Hu W، Zhang F، Zhang F، Tan X، وآخرون. تصنيع أغشية مركّبة مضادة للبكتيريا PVDF ذات هيكل هرمي مركب يشبه المرجان من أجل التنظيف الذاتي وتأثير التبريد الإشعاعي[J]. المواد والواجهات التطبيقية ACS، 2024.

[4] Wei Y، Li K، Li P، Li P، وآخرون. ترشيح الأغشية الخزفية المحسنة عن طريق الأكسدة المسبقة PS مع محفز FeSO4 بمساعدة CuO لإزالة NOM في معالجة مياه الشرب[J]. تقنية الفصل والتنقية، 2024,345.

[5] الأغشية الخزفية وتطبيقاتها في معالجة الأغذية والمشروبات[J]. الترشيح والفصل، 2000، 37(3).

[6] مالا م. م، س. س، س. F، وآخرون. تحلية مياه البحر والمياه قليلة الملوحة من خلال غشاء مركب جديد كاره للماء PVDF-PTFE عن طريق التقطير الغشائي بالتفريغ[J]. اكتشف الهندسة الكيميائية، 2024، 4(1).