Preparação controlável de sanduíche ultrafino

Jan 21, 2024

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 14961 (2015) Citar este artigo

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Membranas baseadas em estruturas orgânicas porosas (POFs) têm aplicações potenciais em filtração molecular, apesar da falta de um estudo correspondente. Este estudo relata uma estratégia interessante para obter dispersão de POFs processáveis ​​​​e um novo design de membrana ultrafina tipo sanduíche. Foi acidentalmente descoberto que os aglomerados hidrofóbicos de POFs baseados em Schiff, ricos em N, poderiam reagir com lítio-etilamina e formar uma dispersão estável em água. Ao filtrar sucessivamente a dispersão de POFs e o óxido de grafeno (GO) obtidos, preparamos com sucesso membranas híbridas ultrafinas tipo sanduíche com estrutura em camadas, que mostraram eficiência de separação significativamente melhorada na filtração molecular de corantes orgânicos. Este estudo pode fornecer uma forma universal para a preparação de POFs processáveis ​​e suas membranas híbridas com GO.

Combinar adsorção e filtração é uma maneira eficiente de realizar a separação molecular para diversas aplicações com benefícios de baixo consumo de energia e fácil operação1,2,3. Muitos materiais nanoporosos bem conhecidos, como zeólitas e estruturas metálicas orgânicas (MOFs), têm sido utilizados em processos de separação molecular . Como contrapartida não metálica dos MOFs, as estruturas orgânicas porosas (POFs) são formadas pela reticulação covalente de diversas porções orgânicas. Sua nanoestrutura orgânica pura, tamanhos de poros ajustáveis ​​e alta permeabilidade e estabilidade conferem aos POFs uma grande promessa para aplicações em separação molecular7,8, especialmente para purificação de água que é sensível à contaminação metálica. No entanto, estudos correspondentes foram dificultados pela sua propriedade hidrofóbica intrínseca e natureza de aglomeração. Como consequência, a separação adsortiva usando POFs puros era geralmente conduzida em condições de lote que consumiam tempo e energia, o que não é adequado para aplicações práticas. Portanto, é desejável montar POFs em membranas hidrofílicas para uma separação molecular rápida e econômica.

Por outro lado, os mecanismos de separação da membrana adsortiva baseiam-se principalmente na interação entre as moléculas e os sorventes, incluindo adsorção eletrostática, adsorção por afinidade e assim por diante9. Apesar da interação poder ser afetada por muitos fatores (dependendo dos mecanismos específicos envolvidos), aumentar o comprimento efetivo do caminho da membrana é uma estratégia comum para melhorar a eficiência da separação . Para uma mesma membrana, no entanto, o aumento na espessura da membrana resultará num aumento inevitável no custo, numa diminuição óbvia na utilização dos locais de adsorção, bem como na grande perda de fluxo e filtrado.

Inspirados nas membranas de óxido de grafeno (GO), propomos aqui um desenho de membrana ultrafina tipo sanduíche (Fig. 1a), que pode aumentar simultaneamente a eficiência de separação e a utilização de locais de adsorção. Nossa demonstração de prova de conceito é baseada no uso de POFs processados ​​​​ricos em N baseados em Schiff (SWN) (Fig. 1b) como o sorvente e as nanofolhas GO como camadas de intervalo bidimensionais (2D). Nesta membrana híbrida tipo sanduíche, os canais microfluídicos horizontais construídos pelo GO podem aumentar significativamente o caminho de separação efetivo na matriz de POFs sem aumentar sua carga e espessura. Notavelmente, durante a filtração molecular, a membrana híbrida apresenta eficiência de separação significativamente melhor (Fig. 1c, d) e estabilidade, o que é altamente desejado no processo de filtração molecular orientado por pressão.

(a) Ilustração para a preparação da membrana tipo sanduíche. (b) Foto digital de P-SWN e dispersão imaculada de SWN com concentração de ~0,5 mg mL−1. (c) Foto digital de membrana híbrida sobre suporte de PTFE. (d) Fotos digitais do equipamento de filtração e das soluções MO (10 mg L-1) antes e depois da filtração.