שימוש בחומרים מבוססי Graphene עבור הגדלת אספקת מים

משבר המים הגלובלי והבטחה של ננוטכנולוגיה

גישה למים נקיים ובטוחים נותרה אחד האתגרים הדוחקים ביותר של המאה ה-21.על פי ארגון הבריאות העולמי, מיליארדי אנשים ברחבי העולם חסרי גישה לשירותי מים מנוהלים בבטחה, ומחלות מיבורן ממשיכות לגרום למיליוני מקרי מוות בלתי ניתנים למנוע בכל שנה.

הבנת גרפן: מבנה, נכסים, ומדוע זה משנה עבור הפלסטרציה במים

מה זה Graphene?

Graphene הוא שכבת אטומית אחת של אטומי פחמן מסודרים בלחיצות דבש דו-ממדית.זהו בלוק הבניין הבסיסי של צינורות פחמן אחרים כגון גרפיט, צינורות פחמן, ומלאנים.מאז בידודו בשנת 2004 על ידי Andre Geim וקונסטנטין נובולוב (עבודה שהרוויחה אותם פרס נובל בפיסיקה 2010), גרף נחקר באופן נרחב על תכונותיה המרשימות של מד"ר אלקטרוני אחד בלבד, אך ורק מתפקוד מכני חזק יותר מאשר ממתכת בודד, אך ורק ממתכת בודד, אך ורק ממתכת בודד, הוא חזק יותר מאשר ממתכת אחת, אך ורק ממתכת אחת, אך ורק ממתכת אחת, אך ורק ממתכת אחת, לעומת זאת, עם גרף אחד, הוא חזק יותר מאשר ממתכת אחת, עם גרף אחד, עם גרף פחות חזק יותר מאשר ממתכת אחת, עם גרף מגנטית, אך ורק ממתכת אחת, אך ורק ממתכת אחת, עם גרף מגנטית אחת, עם גרף בודד, עם גרף מגנטית אחת, עם גרף פחות חזק יותר מאשר ממתכת אחת, עם גרף פחות חזק יותר מאשר ממתכת אחת, עם גרף מגנטית אחת, עם גרף מגנטית אחת, עם גרף פחות חזק יותר מאשר ממתכת אחת, אך ורק ממתכת

תכונות עיקריות: אספקת מים

(ב) ביישומי סינון מים, מספר תכונות של גרפן הם יתרון במיוחד (FLT:0 משטח פני השטח של שטח עליון 1), אשר מאפשר למוליד יחיד של גרף מספר עצום של חומרים חשמליים, אשר מאפשר ל- 2,600 מטרים רבועים, הרבה יותר גבוה של פחמן מופעל או מוטציות פונקציונליות.

יתרונות של חומרים המבוססים על Graphene על פני האמנה פילטרציה מדיה

טכנולוגיות סינון מים קונבנציונליות לכל אחת יש מגבלות. פחמן מופעל בשימוש נרחב עבור מודעות, אבל מאבקים עם זיהום אורגני מסוים יכול להיות רווי במהירות יחסית. osmosis membranes מציעים דחייה גבוהה של מלחים מומסים אבל דורש אנרגיה משמעותית כדי לשמור על לחץ תפעולי והם רגישים למיקרו-טרציה microtration ו- microtration membranes ביעילות להסיר חומרים גמישים יותר.

אחריות ובחירה

אחד היתרונות המצוטטים ביותר של קרוטן מבוסס קרוטן הוא הפוטנציאל שלהם עבור חדיר מים גבוה מאוד תוך שמירה על דחייה מעולה של contaminants. חישובים תיאורטיים ומדידות ניסיוניות הראו כי מונוטרן prise prise יכול לאפשר למולקולות מים לנוע עם חיכוך מינימלי עקב משטח חלק אטומי ואת היווצרות של שכבות מים מסודרים, כאשר ננומטריד הם מוצגים, יכול להיות ק"מ למטה בגודל של גודל פולימרוני נמוך יותר של גודל זהה של גודל פולימרן של גודל זהה של גודל פולימרן של גודל זהה של גודל זהה של חומר פולימרן.

המונחים: Broad-Spectrum Contaminant Removal

(הופנה מהדף סימולטור) מערכות סינון מבוססות טרשת נפוצה (Gatetaminants), אשר לעתים קרובות ב-Cypto-of Pass.com:0heavy מתכותFLT:1 כגוןעופרת, כספית, קדמיום, ו- arsenic-lutants כי הם קשים לשמצה לחסל באמצעות שיטות קונבנציונליות.

חיים ארוכים וארוכים

הרבה filtration membranes מחלחל לאורך זמן בשל התקפה כימית, מתח oxidative, או ביופוץ, הדורש החלפת תכופה והעלאת עלויות תפעוליות. Graphene, המורכב אג"ח פחמן-פחמן יציב, מציג התנגדות יוצאת דופן להשפלה כימית, אפילו בסביבות אגרסיביות כגון מים חומציים או אלקליין.

בנייה ירוקה וקלה

מכיוון שגרפן הוא רק אחד אטום עבה, סינון מכשירים המשלב גרפן יכול להיות הרבה יותר רזה וקל יותר מאשר אלה באמצעות חומרים קונבנציונליים. a גרפן תחמוצת membrane יכול להיות רק כמה מאות ננומטר עבה עדיין להשיג את אותו ביצועים או יותר טוב יותר כמו מיקרומטר-תיק פולימרן.זה מתורגמת ישירות לשימוש חומרי מופחת, משקל נמוך, פוטנציאל עבור מים קומפקטיים, כגון פעילות פחמן, לחץ דם אישי.

סוגים של חומרים המבוססים על Graphene בשימוש בפלסטרציה מים

לא כל גרפן הוא אותו הדבר. החוקרים פיתחו מספר נגזרות ומורכבים המותאמים ליישומים ספציפיים של סינון.כל טופס מציע יתרונות נפרדים בהתאם למזהמים המטרה ולתנאי התפעול.

Graphene Oxide (GO)

(ג'ופן מופק על ידי חמצון גרפיט באמצעות חומצות חזקות (בדרך כלל באמצעות שיטת ההומרס), התשואות הסניפים מעוטרים בקבוצות פונקציונליות המכילות חמצן.קבוצות אלה הופכות הידרופיליות, כלומר הן מתפזרות בקלות במים - תכונה קריטית עבור דלקת מים מהירה יותר מאשר גולגולת חשמלית ופתרון.

חיתוך Graphene Oxide (rGO)

oxide מופחת גרף מופק על ידי כימית, תרמילי, או אלקטרוכימי להסיר את רוב קבוצות החמצן מ- GO.חומר וכתוצאה מכך מחזיר חלקית את רשת פחמן sp2, שיפור מוליכות חשמלית וכוח מכני תוך שמירה על כמה קבוצות פונקציונליות המסייעות בפיזור ומודעות. rGO membranes הם לעתים קרובות יציב יותר במים מאשר membranes, מראה פחות מבטיח עבור phoscepticial (Fulative) כי הוא גם phostodulative to phostod.

פריסטין Graphene ו-Nano ⁇ Graphene

פריסטין, גרפן ללא פגם הוא בלתי אפשרי לכל המולקולות, כולל מים, כי צפיפות האלקטרונית של טבעות ארומטיות חוסם מעבר.כדי להפוך אותו לנקבוביות ננומטריות מכוונת חייב להיות מוצג - או באמצעות פגז יון, פלזמה וחמצן כימי יכול להיות על ידי גירוי מכני חזק, 000 גרם לפעום גדול של מים ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Graphene- Based Composites

(ב) כדי לשלב את היתרונות של גרפן עם חומרים פונקציונליים אחרים, החוקרים פיתחו מערך רחב של תרכובות (FLT:0) חומרים מורכבים מטבוליים מורכבים מ-FLT:1 הטמיעו גליונים גרפיים לתוך מטבול פולימר (למשל, פליטת דלקים חשמליים) עם גרף אולטרה-סולם מורכב, פולימפולמיד) כדי לשפר כוח מכני, יעילות, תכונות אנטי-מיקרוביאליות (למשל:

יישומים: טכנולוגיות נוכחיות וזרימות

חומרים המבוססים על Graphene משולבים במגוון של תצורה של טיפול במים, החל מטיפוסי אבטיפוס בקנה מידה ספסל ועד מערכות בקנה מידה פיילוט.היישומים הבולטים ביותר מתוארים להלן.

Membrane Filtration (Nanofiltration, Reverse Osmosis, Forward Osmosis)

די-סרט מורכב membranes שילוב של GO או rGO פותח עבור nanofiltration ו hypoosmosis לאחור החוקרים דיווחו כי הוספת שכבה דקה של GO אל פני השטח של פוליamide RO membrane יכול לשפר את גלידת מים על ידי 30- 50% תוך שמירה על מודולים של מים צלולים, אפילו שיפור תכונות נוגדות גבוהות יותר עקב הידרופיליום שלהם, אשר להפחית את רמת שומן גמישה.

מודעות למתכת כבדה ודאי מסירה

מודעות מבוססות Graphene, במיוחד GO ו- rGO, משמשים כסוות אצווה או עמודה להסרת מתכות כבדות וצבעים סינתטיים מן המים.יכולת המודעות של GO עבור מוביל (Pb2+) יכול לעלות על 800 מ"ג /g, הרבה על פני פחמן מופעלת מופעלת מופעלת.התהליך הוא לעתים קרובות מהיר - aquibrium יכול להגיע בתוך דקות - ואת המודעות של phot יכול להיות מזוהה יכול להיות מסוגל להיות מכווץ על ידי גרף קטן או לתקן מחדש על ידי גרף חיצוני.

תצלום: Photocatalytic Degradation of Organic

photocatalysts מבוסס Graphene משלב את שטח פני השטח גבוה ואת הניידות האלקטרונית של גרפן עם סמי מוליכים למחצה photocatalysts כגון TiO2, ZNO, או g-C3N4. כאשר נחשפים לאור, אלה מרכיבים חמצן פעיל אשר יכול לשבור את זיהום תרופות אורגני לתוך CO2 בלתי מזיק H2 ו H2cite משמש כמו אלקטרון, מקבל חיובי של נוזל חמצן, במיוחד עבור ירידה של אור השמש.

דמנציה רגישה (CDI) עבור Brackish Water Desalination

פיזור קיבולי הוא תהליך טיפול במים אלקטרוכימי שמסיר את המושגים על ידי יישום מתח נמוך (1-2 V) על פני ⁇ פחמן אלקטרודות. rGO, עם מוליכות גבוהה שלה בתחום פני השטח, הוא חומר אלקטרודה מעולה עבור CDI. בהשוואה לאלקטרודות מופעלת המסורתית, rgodes יכול להשיג יכולת גבוהה יותר של מלח מהירות יותר והורדת חנקן.

משטחים אנטי-מיקרוביאליים ודיסינפציה

חומרים המבוססים על Graphene, במיוחד GO ו- rGO, להציג נוגדנים פנימיים ואנטי-ביוטיקה ונכסים אנטי-ויראליים. הקצוות החדים של גרפן ננוגליונים יכולים לחתוך פיזית באמצעות מזכרי תאים מיקרוביאליים, בעוד הלחץ החמצן המושרה על ידי החומר יכול להזיק רכיבי גרף.זה גורם ציפוי גרפן אידיאלי עבור prefilters, מיכלים מים, תלבושות ופצעים הראו עם גרף ארוך של פעילות גרף.

אתגרים לאימוץ Overcome Before Widespread

למרות הפוטנציאל המדהים של טכנולוגיות סינון מים מבוססות גרפן, יש לטפל בכמה מכשולים משמעותיים לפני שניתן לפרוס בקנה מידה כדי לטפל בצרכים של מים גלובליים.אתגרים אלה עומדים על ייצור חומרי, ייצור קרום, יציבות ביצועים ובטיחות סביבתית.

עלויות ייצור גבוהות ו Scalability

הסינתזה של גרפן באיכות גבוהה, במיוחד מונוטריטנין גרפן וננו- ⁇ גרפן, נותרה יקר בשיטות הנוכחיות - טיהור כימי, צמיחה אפיתלית, ו exfoliation נוזלי-phase exfoliation - פערים מוגבלים במחיר גבוה בהרבה על חומרים גרף-ידי הנדסה גבוהה. בעוד תחמוצת גרפין יכול להיות מיוצר יותר זול בכמויות גדולות, איכות וגודל גיליון, השפעה גבוהה על ידי גרף תעשייתית גבוהה.

Membrane Stability and Long-Term Performance

בפועל, קרום מבוסס גרפן סובלים לעתים קרובות מנפיחות במים, דלמנט של שכבות מחסניות, וירידה הדרגתית בביצוע עקב ההשפלה הפגום והכימיקלית של קבוצות פונקציונליות.עבור membranes, החיתוך הבין-שכבות יכול להשתנות עם כימיה מים, מה שמוביל לתנודות בדחייה.קישור עם פוליחות או קשר קוהנדסי יכול לשפר את היציבות, אבל שינויים אלה עשויים להפחית את יכולת הבדיקה לטווח ארוך (עדיין) בתנאי ניתוח מתמשך).

מנברן מתפתל וניקוי

למרות שמשטחי גרפן עמידים יותר ל biofouling מאשר כמה משטחים פולימרים, הם לא חסינים.לאורך זמן, חומר אורגני טבעי, דרוג מינרלים, ומיקרואורגניזמים יכולים לצבור על פני השטח של membrane, clogging וצמצום פרוטוקולים פלוקס.נקיים עבור קרום גרפיט לא סטנדרטיים.

סיכון סביבתי ובריאות פוטנציאלי

גורל הסביבה של חומרים מבוססי גרפן - במיוחד אם הם משוחררים לתוך גוף מים טבעי - הוא לא מובן לחלוטין. חלק מחקרים מציעים כי תחמוצת גרפן יכול להיות רעיל לאורגניזמים מימיים בריכוזים גבוהים, בעוד אחרים מראים רעילות נמוכה תחת תרחישים חשיפה ריאליים.הפוטנציאל עבור nanoparticles גרפן כדי להחמר מ membranes במהלך המבצע ולהצטבר בסביבה מעלה חששות חיים, בדיקות אקולוגיות וטכנולוגיות אקולוגיות הם צורך לסינון בטוח עבור תרופות גרפים בטיחותיים ומבוססים.

שילוב של תשתיות קיימות

רוב צמחי טיפול במים עירוניים פועלים עם תהליכים מבוססים (coagulation, סימפוציה, סינון, חיטוי) לנטרל את הצמחים האלה עם membranes או פרסומות מבוססות גרפן דורש הנדסה זהירה כדי להבטיח תאימות עם כיפה קיים, כלי לחץ ומערכות ניקוי , יתר על כן, תעשיית המים היא שמרנית על ידי הטבע; שירותים גדולים מוכחים חיסכון לטווח ארוך ואמינות למנוע את זה אפשרי מראש להיות מודלים של טיפול יעיל.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

למרות האתגרים, מסלול המחקר מבוסס גרף של סינון מים מבוסס גרפן הוא חיובי מאוד. ההשקעה הגלובלית בגרפן R&D ממשיכה לגדול, עם מימון ציבורי ופרטי תומך קונסוררציה ממוקדת ביישומים מים. כמה כיוונים מרכזיים צפויים לנהוג התקדמות בשנים הקרובות.

הנדסת פור ו- Single-Layer Membranes

הגביע הקדוש של קרום גרפן הוא הייצור של גדול-area, יחיד-layer nano ⁇ גרפן עם גודל ודחיסות מבוקר בדיוק. ההתקדמות האחרונה בכוונון באמצעות אגודלים ממוקדים, ליתוגרפיה בלוק-קומפומר, ואם מוני שכבות עצמי מכוסות מופרכות מביאות מטרה זו קרוב יותר למציאות.

Graphene Hybrids ו-Synergistic Systems

במקום להסתמך על גרפן לבד, חוקרים רבים חוקרים חוקרים בודקים מערכות היברידיות המשלבות גרפן עם ננו-חומרים אחרים - כגון צינורות פחמן, MXenes, מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), או פולימרים בעלי השראה ביולוגית - כדי ליצור מוטציות מרובות פונקציונליות של פלטפורמות סינון חומרים אלה. לדוגמה, מובי-F יכולים במקביל פרסומות כבדות ודה של צינורות אורגניים בתוך מרכזים של מגנטיים בודדים.

סליחות וחכמים

גרף אינסטלציה עם חומרים מגיבים יכול להוביל membranes כי לנקות את עצמם על הביקוש. ציפוי Photocatalytic שילוב TiO2 או BVO4 יכול להפיג את העפר כאשר מואר, בעוד אלקטרודות גרפן אלקטרודות אלקטרודות אלקטרואקטיביות ניתן לפענוח כדי לדחות פרסומות או contaminants. החוקרים גם לפתח "חכם" כי לשנות את יכולתם בתגובה לטמפרטורה, pH, או שדות חשמליים כאלה, מאפשר גירויים חשמליים.

ייצור נמוך-קוסט מביומסה

כדי לטפל במחסום העלות, מספר גדל והולך של קבוצות מחקר חוקרות את הסינתזה של חומרים דמויי גרפן מכמה מבשרי ביומסה כגון lignin, chitosan, או פסולת חקלאית.חומרים אלה, לעתים קרובות נקרא "דווטים קוונטיים גרפים" או "reduced גרפן oxideues", עשויים להקריב ביצועים מסוימים אבל יכול להיות מיוצר בשבריר של העלות אם משולבת עם בדיקות מים סבירות, כגון, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000, 000 סגסוגת, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000, 000, 000, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000, 000, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת, 000 סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת

שיקול דעת וביקורת חיים-Cycle Considerations

ככל שהטכנולוגיה בוגרת, מאמצי מקבילה בהערכה ובסטנדרטיזציה יהיו חשובים יותר ויותר.הפיתוח של סטנדרטים בינלאומיים לאופיון חומרי גרפן - מנוהל על ידי ארגונים כגון ISO ו-GRAP האירופית - יאפשר השוואות בין מחקרים ויעזרו הרגולטורים להגדיר מגבלות חשיפה.ניתוחי מחזור חיים שמהווים צריכת אנרגיה, פסולת חומרית, וסיום של חיים ינחו את העיצוב של מערכות סינון סביבתיות יעילות, בין גרפים, לבין גרפים יעילים, לבין טכנולוגיות יעילות, לבין טכנולוגיות המבוססות על פני כדור הארץ, הן טכנולוגיות יעילות.

מסקנה: A Bright but Cautious Way Forward

חומרים המבוססים על Graphene מייצגים את אחד הגבולות המרגשים ביותר בטכנולוגיית סינון מים.השילוב יוצא דופן של אזורי מחסנית גבוהה, מתקני טונה, עמידות מכנית, יציבות כימית, וגמישות פונקציונלית מציעה את הפוטנציאל להתגבר על מגבלות ארוכות של תקשורת מבוזרת עירונית גבוהה, מפרסומות מהירות של מתכות כבדות וצבעים להפחתה מהירה של תרופות, עם עלייה משמעותית של גרף גבוה של כל רמה גבוהה של מטבוליזם של מטבוליזם.