Instynktownie ludzie zakładają, że jeśli wbijesz dodatkowe w sicie, przejdzie więcej wody; jednak ostatnie badania pokazują, że w nanoskali może być odwrotnie, a globalny zespół naukowców z Australii, Niemiec, Francji i Japonii odkrył, że woda nie zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami podczas stosowania filtrów tlenku grafenu (GO).
Naukowcy odkryli, eksperymentując z membranami GO, że środowisko chemiczne i napięcie powierzchniowe mają ważną rolę do odegrania w przepuszczalności wody i mogą mieć znaczące konsekwencje dla oczyszczania wody, magazynowania energii i produkcji wodoru.
Badanie, opublikowane w Nano Letters, wykazało, że gęstość porów sita niekoniecznie określa jego przepuszczalność; w nanoskali dodanie większej liczby maleńkich otworów do sita nie zawsze pozwala na przejście większej ilości wody.
"Jeśli tworzysz coraz więcej w sicie, spodziewasz się, że stanie się ono bardziej przepuszczalne dla wody" - powiedział starszy autor badania, dr hab. Rakesh Joshi z UNSW, w komunikacie prasowym uniwersytetu.
"Ale co zaskakujące, jest to przeciwieństwo tego, co wydarzyło się w naszych eksperymentach z membranami tlenku grafenu" - powiedział Joshi.
Wpływ środowiska chemicznego tlenku grafenu
GO jest niezwykle cienką formą węgla, złożoną z pojedynczej warstwy atomów węgla z dołączonymi atomami tlenu i wodoru. Struktura tlenku grafenu jest podobna do rozproszonych kawałków LEGO na podłodze, przy czym podłoga reprezentuje pojedynczą warstwę atomów węgla, a kawałki LEGO reprezentują dołączone atomy wodoru i tlenu.
Jedną z właściwości, które pozwalają tlenkowi grafenu skutecznie blokować przepływ wody, są jego hydrofobowy - odstraszający wodę - pory.
W związkach chemicznych – substancjach złożonych z atomów więcej niż jednego pierwiastka – istnieją grupy funkcyjne – pojedyncze atomy lub grupy atomów w cząsteczce, które mają porównywalne właściwości chemiczne w związkach, w których się pojawiają. Te grupy funkcyjne mogą być hydrofilowe - przyciągane do wody - lub hydrofobowe.
"Co zaskakujące, ważniejsze dla strumienia wody (przepływu wody przez membranę) nie jest liczba porów, ale to, czy pory są hydrofobowe czy hydrofilowe" - powiedział Tobias Foller, główny autor badania.
"To bardzo nieoczekiwane, ponieważ warstwy GO mają tylko jeden atom grubości. Oczekuje się, że woda po prostu przejdzie przez pory, bez względu na to, czy przyciągają, czy odpychają wodę. "
Badanie wykazało, że nie było przepływu wody przez hydrofobowe pory filtrów tlenku grafenu, chociaż w zastosowanych filtrach było wiele małych otworów.
"W przypadku filtrów zwykle oczekuje się większego przepływu wody z większą liczbą otworów" - powiedziała prof. Marika Schleberger, współautorka badania z Duisburga w Niemczech.
"Ale w naszym przypadku, gdzie mamy więcej otworów, przepływ wody jest niższy, a to ze względu na chemiczną naturę otworów tlenku grafenu, które w tym przypadku odpychają wodę."
Wpływ napięcia powierzchniowego
Naukowcy stwierdzili, że napięcie powierzchniowe przyczynia się również do nieoczekiwanych interakcji między wodą a porami tlenku grafenu. Napięcie powierzchniowe występuje, ponieważ cząsteczki, takie jak woda, chcą się ze sobą sklejać.
Woda, gdy jest wtłaczana w wystarczająco małą przestrzeń, może być przesuwana w górę za pomocą spójnych wiązań między cząsteczkami wody a stałymi powierzchniami otaczającymi ciecz. W ten sposób drzewa mogą pokonać grawitację i czerpać wodę ze swoich korzeni, w górę swoich naczyń włosowatych - małych rurek w roślinie - do reszty rośliny.
Te same siły, które pozwalają drzewom czerpać wodę, powstrzymują również przepływ wody przez małe otwory w porach tlenku grafenu. Pory, które są wytwarzane w skali jednej milionowej milimetra lub mniej, działają jak naczynia włosowate, popychając wodę do góry, zamiast pozwolić jej przepływać.
"Kiedy zamykasz wodę w najmniejszych możliwych naczyniach włosowatych - wielkości kilku atomów - cząsteczki wody przyciągają się tak bardzo, że tworzą ciasną sieć" - powiedział Foller.
"Niezakłócona, ta sieć jest tak silna, że nie pozwala na uwolnienie cząsteczek i przejście przez sito, nawet jeśli zwiększysz liczbę porów."
Zdolność filtracji wody tlenku grafenu
Naukowcy stwierdzili, że możliwym zastosowaniem odkrycia byłyby ultradrobne sita, które są wykonane z różnych materiałów i są zróżnicowane. Ponadto wyniki tego badania mogą pomóc naukowcom w poprawie transportu cieczy w sitach atomowych i opracowaniu wysoce precyzyjnych systemów filtracji.
"Dzięki zrozumieniu, które parametry zwiększą lub zmniejszą strumień wody, możemy zoptymalizować wiele możliwych zastosowań tlenku grafenu do oczyszczania wody, magazynowania energii, produkcji wodoru i innych" - powiedział Foller.
"Mamy nadzieję, że inni inżynierowie i naukowcy będą mogli wykorzystać tę nową wiedzę do ulepszenia własnych urządzeń i doprowadzenia do nowych osiągnięć w przyszłości".
W 2018 roku UNSW zademonstrował skuteczność GO jako systemu filtracji wody, projektując filtr na skalę laboratoryjną, który mógłby usunąć ponad 99 procent wszechobecnej naturalnej materii organicznej z wody pitnej.
"Naszym postępem jest stosowanie filtrów na bazie grafenu – niezwykle cienkiej formy węgla. Żadna inna metoda filtracji nie zbliżyła się do usunięcia 99% naturalnej materii organicznej z wody pod niskim ciśnieniem "- powiedział prof. Joshi w komunikacie UNSW.
"Nasze wyniki wskazują, że membrany na bazie grafenu można przekształcić w alternatywną nową opcję, która w przyszłości może zostać zmodernizowana w konwencjonalnych stacjach uzdatniania wody".
"Nowy system uzdatniania jest wytwarzany poprzez przekształcanie naturalnie występującego grafitu w membrany tlenku grafenu, które umożliwiają wysoki przepływ wody pod ciśnieniem atmosferycznym, jednocześnie usuwając praktycznie całą materię organiczną" - powiedział Joshi.
Zespół badawczy zbadał zastosowanie tlenku grafenu w filtracji wody, przeprowadzając testy laboratoryjne na przefiltrowanej wodzie z Zakładu Filtracji Wody Nepean; wyniki tego badania zostały opublikowane w Carbon.
"Najczęstsze metody stosowane obecnie do usuwania materii organicznej z zasobów wodnych obejmują stosowanie koagulantów chemicznych" - powiedział Heriberto Bustamante, phD z Sydney Water.
"Jednak te istniejące metody leczenia są tylko częściowo skuteczne, zwłaszcza że stężenie naturalnej materii organicznej wzrasta."
Odkrycia tego dokonały Uniwersytet Nowej Południowej Walii (UNSW) w Australii, Uniwersytet Duisburg-Essen w Niemczech, GANIL we Francji i Toyota Technological Institute w Japonii i były wspierane zarówno przez Unię Europejską, jak i Fundację Badawczą Humboldta.
Przetlumaczono przez translator Google
zrodlo:https://www.theepochtimes.com/
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz