[論文レビュー] High-flux water desalination with interfacial salt sieving effect in nanoporous carbon composite membranes

Wei Chen, Shuyu Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2016

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、30–60 nmのチャネルを有するセラミック基板上に形成されたナノポーラス炭素複合膜を提示する。この膜は界面塩分ふnowing機構により高フラックス脱塩を実現する。膜は100%の塩分除去率を達成し、相変化を伴わない水の表面拡散を可能にすることで、顕熱の必要がないためエネルギー消費を削減し、ポリマー膜よりも3.5–20倍の淡水フラックスを達成する。

ABSTRACT

Nanoporous carbon composite membranes, comprising a layer of porous carbon fiber structures with an average channel width of 30-60 nm grown on a porous ceramic substrate, are found to exhibit robust desalination effect with high freshwater flux. In three different membrane processes of vacuum membrane distillation, reverse osmosis and forward osmosis, the carbon composite membrane showed 100% salt rejection with 3.5 to 20 times higher freshwater flux compared to existing polymeric membranes. Thermal accounting experiments found that at least 80% of the freshwater pass through the carbon composite membrane with no phase change. Molecular dynamics simulations revealed a unique salt rejection mechanism. When seawater is interfaced with either vapor or the surface of carbon, one to three interfacial atomic layers contain no salt ions. Below the liquid entry pressure, the salt solution is stopped at the openings to the porous channels and forms a meniscus, while the surface layer of freshwater can feed the surface diffusion flux that is fast-transported on the surfaces of the carbon fibers, driven by the chemical potential gradient. As the surface-transported water does not involve a phase change, hence that component involves no energy expenditure in the form of latent heat.

研究の動機と目的

• ポリマー膜に一般的に見られる透過率-選択性のトレードオフを克服する高フラックス脱塩膜の開発。
• 炭素-水界面における界面水輸送および塩分ふnowingの役割が脱塩性能をどのように向上させるかの調査。
• 相変化を伴わない水の表面拡散が、完全な塩分除去を維持したままフラックスを顕著に向上させることの実証。
• 分子動力学シミュレーションおよび複数の膜プロセスにおける実験的検証を通じて、メカニズムの妥当性の検証。

提案手法

• 30–60 nmの平均チャネル幅を有する多孔質炭素繊維をセラミック基板上に成長させ、ナノポーラス炭素複合膜を製造。
• 真空膜蒸発、逆浸透、および前向き浸透を用いて、異なる運転条件下での脱塩性能を評価。
• 相変化を伴わない水の通過割合を定量するための熱的会計実験を実施し、表面輸送の優位性を確認。
• 炭素-水界面におけるイオン分布および水輸送を分析するための分子動力学シミュレーションを実施。界面原子層に塩分イオンが存在しないことが判明し、界面塩分ふnowing効果を確認。
• 液体侵入圧を測定し、孔入口での毛細管作用およびメニスカス形成を評価。これにより塩分イオンは遮断されつつ、表面輸送による水は通過可能である。
• 淡水の高速表面拡散の駆動力としての化学ポテンシャル勾配を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノポーラス炭素複合膜は、100%の塩分除去を維持したまま高フラックスの淡水を達成できるか？
• RQ2 界面水輸送が全体のフラックスにどの程度寄与しているか。また、相変化を伴わずに発生しているか？
• RQ3 界面塩分ふnowingメカニズムは、イオンをどのように遮断し、同時に高速な水輸送を可能としているか？
• RQ4 化学ポテンシャル勾配は、炭素繊維表面における水の表面拡散を駆動する役割を果たしているか？
• RQ5 水の輸送に相変化が存在しない場合、脱塩におけるエネルギー需要はどの程度低減されるか？

主な発見

• ナノポーラス炭素複合膜は、真空膜蒸発、逆浸透、および前向き浸透の全プロセスにおいて100%の塩分除去率を達成した。
• 淡水フラックスは、プロセスおよび運転条件に応じて、既存のポリマー膜よりも3.5～20倍高い値を示した。
• 熱的会計実験の結果、淡水フラックスの少なくとも80%が相変化を伴わずに通過しており、表面拡散輸送が支配的であることが示された。
• 分子動力学シミュレーションの結果、炭素-水界面の1～3原子層に塩分イオンが存在しないことが判明し、界面塩分ふnowing効果が裏付けられた。
• 液体侵入圧未満での孔入口におけるメニスカス形成により、塩分イオンは遮断されたが、表面輸送による水は通過可能であった。
• 表面輸送による水のフラックスは化学ポテンシャル勾配によって駆動され、顕熱を必要としないため、エネルギー入力を顕著に削減した。