[論文レビュー] Nanoporous Carbon Nitride: A High Efficient Filter for Seawater Desalination

Weifeng Li, Yanmei Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 43被引用数 44

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、引張応力がナノポーラスを動的に調整することで、従来の逆浸透膜と比較して水透過度が2桁向上する高効率な海水淡水化用フィルターとしてのナノポーラスカーボンナイトライド（g-C₂N）膜の提案を行う。これは世界的な水不足問題に対する有望な解決策を提供する。

ABSTRACT

The low efficiency of commercially-used reverse osmosis (RO) membranes has been the main obstacle in seawater desalination application. Here, we report the auspicious performance, through molecular dynamics simulations, of a seawater desalination filter based on the recently-synthesized graphene-like carbon nitride (g-C2N) [Nat. Commun., 2015, 6, 6486]. Taking advantage of the inherent nanopores and excellent mechanical properties of g-C2N filter, highly efficient seawater desalination can be achieved by modulating the nanopores under tensile strain. The water permeability can be improved by two orders of magnitude compared to RO membranes, which offers a promising approach to the global water shortage solution.

研究の動機と目的

• 商業的逆浸透（RO）膜の海水淡水化における低効率性を是正すること。
• グラフェンに類似したカーボンナイトライド（g-C₂N）が淡水化用の新規膜材料としての可能性を調査すること。
• 機械的応力がg-C₂Nにおけるナノポーラス構造および輸送特性に与える影響を調査すること。
• g-C₂Nが高透過度・高選択性を示す淡水化用途向けフィルターとして実現可能かどうかを評価すること。
• 応力工学を用いた膜性能最適化のための計算フレームワークを提供すること。

提案手法

• 引張応力下におけるg-C₂N膜の構造的および輸送的挙動をモデル化するために分子動力学（MD）シミュレーションを採用した。
• さまざまな応力条件下で、g-C₂Nのナノポーラスを通る水およびイオン（Na⁺およびCl⁻）の輸送をシミュレートした。
• 一軸引張応力下におけるポーラスサイズの変化およびg-C₂Nの構造的安定性をMDシミュレーションを用いて分析した。
• ポーラス幾何学的形状および応力の関数としての水透過度およびイオン遮断率を定量的に評価した。
• 径分布関数および平均二乗変位を用いて、ポーラス内における水の構造および拡散度を評価した。
• 運転中の構造的整合性を保証するため、応力下におけるg-C₂Nの機械的強度および異方的挙動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 引張応力はナノポーラスg-C₂N膜のポーラスサイズおよび安定性にどのように影響するか？
• RQ2 ポーラスサイズの調整がg-C₂Nにおける水透過度およびイオン遮断に与える影響は何か？
• RQ3 g-C₂N膜は、従来の逆浸透膜と比較して著しく高い水透過度を達成できるか？
• RQ4 機械的応力下で、g-C₂Nの水に対するイオン選択性はどのように変化するか？
• RQ5 運用時の応力条件下におけるg-C₂Nの機械的安定性はいかがな状態か？

主な発見

• 引張応力によりg-C₂Nのナノポーラスが動的に拡張され、イオン遮断と水輸送の最適化に向けた正確なポーラスサイズの調整が可能になる。
• 応力が加わったg-C₂N膜における水透過度は、商業的逆浸透膜と比較して2桁向上している。
• 大きな応力下でもNa⁺およびCl⁻の遮断率がほぼ100％を維持しており、優れた選択性を示している。
• g-C₂N膜は10％までの引張応力下でも優れた機械的安定性および構造的整合性を示しており、実用的実現可能性が裏付けられている。
• 分子動力学シミュレーションにより、応力が加わったナノポーラス内を水分子が拡散性が向上していることが確認され、高透過度の要因となっている。
• 高透過度と高選択性の両立は、g-C₂Nを次世代淡水化膜として極めて有望な候補に位置づけている。