Michał Bodzek*, Krystyna Konieczny**
*Institute of Environmental Engineering of Polish Academy of Sciences, Zabrze, Poland; **The Cardinal Wyszynski University in Warsaw, Poland
corresponding author’s e-mail:
Abstract
In recent decades, novel and promising materials (e.g. carbon nanotubes, nanoporous graphene and graphene oxide) suitable to be used in preparation of high-capacity membranes for water desalination and water and wastewater treatment have been developed. Membranes made of NPG and GO materials enable to obtain significantly higher water/permeate flux-es than currently used thin film composite membranes for RO and other separation processes as pervaporation, forward os-mosis, capacitive deionization, electrodialysis, or in formation of photocatalytic membranes. Novel composite membrane containing NPG and GO can be divided into freestanding membranes (prepared only from NPF/GO), and polymeric/ceramic membranes modified with the use of graphene-based nanomaterials. Modification of polymeric membranes can be achieved either by introduction of a nanomaterial onto a membrane surface or to a membrane casting solution followed by membrane formation from a polymer and a nanomaterial mixture.
The future development of NPG/GO containing membranes should focus on the improvement of their separation fea-tures. A lot of effort has to be given to understand and properly explain both, role and interaction mechanisms of graphene-based nanomaterial with a membrane, especially in case of freestanding graphene oxide membranes. GO nanosheets are very promising material for manufacturing of desalination membranes, however more attention has to be dedicated to potential disadvantages such as mechanical instability, nanosheets formation, non-uniform distribution of layers and surface damage. Additionally, the scaling up required for commercial production of ultra-thin membranes of high permeability, based on graphene-oxide, is one of the greatest challenge for scientists and engineers. The success reached in this area will lead to the decrease in energy consumption in RO installation and in other membrane processes. Moreover, the release of nanomaterial from such membranes and their potential toxicity has to be investigated in detail for their further practical use in desalina-tion processes.
Keywords
graphene, graphene oxide, separation membranes preparation, desalination, water treatment, wastewater treatment
Grafen – nanomateriał do wytwarzania nowej generacji membran półprzepuszczalnych
Streszczenie
W ostatnich dziesięcioleciach opracowano nowe i obiecujące materiały (np. nanorurki węglowe, nanoporowaty grafen i tlenek grafenu) odpowiednie do wytwarzania membran o wysokiej efektywności odsalania i uzdatniania wody i oczyszczania ścieków. Membrany wykonane z NPG i GO pozwalają na osiągnięcie znacznie wyższej wydajności wody/permeatu, niż obecnie stosowane membrany kompozytowe cienkowarstwowe do RO i innych procesów separacji, jak np. perwaporacji, osmozy prostej, dejonizacji pojemnościowej, elektrodializy, lub membran fotokatalitycznych. Nowe membrany kompozytowe zawierające NPG i GO można podzielić na membrany „wolnostojące” (wykonane tylko NPF/GO) i membrany polimerowe/ceramiczne modyfikowane za pomocą nanomateriałów z grafenu. Modyfikację membran polimerowych można osiągnąć albo przez wprowadzenie nanomateriałów na powierzchnię membrany lub do roztworu błonotwórczego, z którego wytwarza się membrany metodą inwersji fazowej.
Rozwój membran zawierających NPG/GO powinien koncentrować się na poprawieniu ich własności separacyjnych. Należy uwagę skierować na zrozumienie i prawidłowe wyjaśnienie zarówno roli i mechanizmów interakcji nanomateriału na bazie grafenu z membraną, zwłaszcza w przypadku membran „wolnostojących”. Nano-arkusze GO są bardzo obiecującym materiałem do wytwarzania membran do odsalania wody, należy jednak więcej uwagi zwrócić na potencjalne wady takie jak niestabilność mechaniczna, tworzenie nano-arkuszy, nierównomierny rozkład warstw i uszkodzenia powierzchni. Ponadto, należy rozwiązać powiększanie skali wytwarzania membran, co jest wymagane dla komercjalizacji produkcji membran opartych na grafenie i tlenku grafenu oraz stanowi jedno z największych wyzwań dla naukowców i inżynierów. Sukces osiągnięty w tej dziedzinie doprowadzi do zmniejszenia zużycia energii w instalacji RO i innych procesach membranowych. Należy również szczegółowo zbadać proces uwolnienia nanomateriału z membran i jego potencjalną toksyczność, z uwagi na bezpieczeństwo stosowania membran zawierających nanomateriały.
Słowa kluczowe
grafen, tlenek grafenu, wytwarzanie membran separacyjnych, odsalanie,uzdatnianie wody, oczyszczanie ścieków
Full text / Pełny tekst
PDF (English)
