Graphene Oxide/Titanium Dioxide Membranes
Authors
Jensen, Thomas Reinhald ; Pedersen, Morten Lykke Krogh
Term
4. term
Education
Publication year
2016
Submitted on
2016-06-09
Pages
138
Abstract
Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer med usædvanlige egenskaber og mange mulige anvendelser. Det kan fremstilles ved at oxidere grafit til grafenoxid (GO) og derefter reducere det for at justere egenskaberne. GO er interessant som membran til vandbehandling: de iltholdige grupper gør materialet meget hydrofilt (det tiltrækker vand), mens den lagdelte grafenstruktur kan være meget selektiv (lader nogle molekyler passere og spærrer andre). En stor udfordring i filtrering er tilsmudsning (fouling), hvor belægninger tilstopper membranen. Derfor undersøgte vi, om tilsætning af titandioxid (TiO2), som kan rense overflader via lysdrevne (fotokatalytiske) reaktioner, kan forbedre GO-membraner. Vi sammenlignede flere GO-syntesemetoder, GO/TiO2-blandingsforhold og varmebehandlingsbetingelser for at finde stabile membraner med høj ydeevne. Den termiske reduktion blev karakteriseret med røntgendiffraktion (XRD), differential scanning kalorimetri (DSC), termogravimetrisk analyse (TGA) og Fourier-transform infrarød spektroskopi (FT-IR). Overfladeegenskaber blev målt før og efter UV-C-bestråling med dråbeformanalyse (DSA), zeta-potentialemålinger og FT-IR, og vi kontrollerede for mulig fotokatalytisk skade med scannende elektronmikroskopi (SEM). Vi målte også dampgennemtrængelighed - hvor let damp passerer gennem membranen - for vand, ethanol og hexan, og sammenlignede med to kommercielle membraner (Alfa Laval NF99HF og NFT50). Tour’s syntesemetode var bedst egnet til videre forsøg. Opvarmning ved 140°C i én time gav de mest stabile og hydrofile membraner. Det optimale GO/TiO2-forhold var mellem 15:1 og 30:1. Tilsætning af TiO2 øgede markant hydrofili og modstand mod tilsmudsning, knyttet til dannelsen af hydroxylgrupper (-OH) på overfladen. SEM gav ikke et entydigt svar på, om TiO2’s fotokatalytiske aktivitet beskadiger membranen. Vanddampgennemtrængeligheden var næsten uhindret og mindst 55% højere end i de testede kommercielle membraner.
Graphene is a single layer of carbon atoms with unusual properties and many potential uses. It can be prepared by oxidizing graphite to graphene oxide (GO) and then reducing it to tune its behavior. GO is attractive as a membrane for water treatment: its oxygen-containing groups make it highly hydrophilic (it attracts water), while the layered graphene structure can be highly selective (it lets some molecules through and blocks others). A major challenge in filtration is fouling—deposits that clog the membrane—so we examined whether adding titanium dioxide (TiO2), which can help clean surfaces via light-driven (photocatalytic) reactions, could improve GO membranes. We compared several GO synthesis routes, GO/TiO2 mixing ratios, and heat-treatment conditions to find stable, high-performance membranes. The thermal reduction was characterized by X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR). Surface properties were measured before and after UV-C irradiation using drop shape analysis (DSA), zeta potential measurements, and FT-IR, and we checked for possible photocatalytic damage by scanning electron microscopy (SEM). We also measured vapor permeance—the ease with which vapor passes through the membrane—for water, ethanol, and hexane, and compared results with two commercial membranes (Alfa Laval NF99HF and NFT50). Tour’s synthesis method gave the best GO for further work. Heating at 140°C for one hour produced the most stable and hydrophilic membranes. The optimal GO/TiO2 ratio was between 15:1 and 30:1. Adding TiO2 significantly increased hydrophilicity and anti-fouling behavior, linked to the formation of hydroxyl (-OH) groups on the surface. SEM did not allow a clear conclusion on whether TiO2’s photocatalytic activity damages the membrane. Water vapor permeance was nearly unhindered and at least 55% higher than in the commercial membranes tested.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents