極薄サンドイッチの制御可能な準備

Jan 21, 2024

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14961 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

多孔質有機フレームワーク (POF) ベースの膜は、対応する研究が存在しないにもかかわらず、分子濾過に応用できる可能性があります。 この研究は、加工可能な POF 分散液と新しい極薄サンドイッチ状膜設計を実現するための興味深い戦略を報告しています。 疎水性のNリッチシッフベースのPOF凝集体がリチウムエチルアミンと反応し、水中で安定した分散体を形成できることが偶然発見されました。 得られたPOF分散液と酸化グラフェン（GO）を連続ろ過することにより、有機色素の分子ろ過における分離効率が大幅に向上した層状構造の極薄サンドイッチ状ハイブリッド膜の作製に成功しました。 この研究は、加工可能なPOFおよびそのGOとのハイブリッド膜の調製への普遍的な方法を提供する可能性がある。

吸着と濾過を組み合わせると、さまざまな用途で分子分離を実現する効率的な方法となり、エネルギー消費が少なく操作が簡単になるという利点があります1、2、3。 ゼオライトや有機金属フレームワーク (MOF) などの多くのよく知られたナノ多孔質材料が、分子分離プロセスで使用されています 4、5、6。 MOF の非金属対応物として、多孔質有機フレームワーク (POF) は、さまざまな有機部分の共有結合架橋によって形成されます。 純粋な有機ナノ構造、調整可能な細孔サイズ、高い透過性と安定性により、POF は分子分離 7,8、特に金属汚染に敏感な水の浄化における用途に大きな期待を与えます。 しかし、対応する研究は、その固有の疎水性と凝集の性質によって妨げられてきました。 その結果、未使用の POF を使用した吸着分離は、通常、時間とエネルギーを消費するバッチ条件で実行され、実際の用途には適していませんでした。 したがって、迅速かつコスト効率の高い分子分離のために、POF を親水性膜に組み立てることが望ましい。

一方、吸着膜の分離機構は主に静電吸着、親和吸着などの分子と吸着剤との相互作用に基づいています9。 相互作用は（関与する特定のメカニズムに応じて）多くの要因の影響を受ける可能性がありますが、膜の有効経路長を長くすることが分離効率を向上させる一般的な戦略です10。 しかし、同じ膜の場合、膜の厚さが増加すると、避けられないコストの増加、吸着サイトの利用率の明らかな減少、さらには流束と濾液の大幅な損失が生じます。

酸化グラフェン（GO）膜11、12、13、14、15にヒントを得て、我々はここで、分離効率と吸着サイトの利用を同時に高めることができる極薄サンドイッチ状膜設計（図1a）を提案する。 私たちの概念実証デモンストレーションは、吸着剤として加工可能なNリッチシッフベースPOF（SWN）（図1b）、および二次元（2D）間隔層としてGOナノシートの使用に基づいています。 このサンドイッチ状ハイブリッド膜では、GO によって構築された水平マイクロ流体チャネルにより、負荷や厚さを増やすことなく、POF マトリックス内の効果的な分離経路を大幅に増やすことができます。 注目すべきことに、分子濾過中、ハイブリッド膜は大幅に優れた分離効率（図1c、d）と安定性を示し、これは圧力駆動型分子濾過プロセスで非常に望まれています。

(a) サンドイッチ状膜の作製の図。 (b) 濃度約 0.5 mg mL-1 の P-SWN および元の SWN 分散液のデジタル写真。 (c) PTFE 支持体上のハイブリッド膜のデジタル写真。 （ d ）ろ過前後のろ過装置とMO溶液（10 mg L-1）のデジタル写真。