DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-025-00485-z
تاريخ النشر: 2025-06-13
المؤلف: Siyoung Byun وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات فصل الأغشية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في فعالية أغشية مركب MXene-أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNT) لمعالجة مياه الصرف الزيتية، مع معالجة التبادل الشائع بين تدفق النفاذية ورفض الزيت، فضلاً عن تحدي تلوث الزيت، خاصة مع الزيوت عالية اللزوجة. أظهر غشاء MXene-MWCNT المطور تدفق نفاذية ملحوظ لمستحلب الزيت يتجاوز 19 لتر/م²•ساعة (LMH) وكفاءة رفض زيت تبلغ حوالي 95%، مما يخفف بشكل كبير من القيود النموذجية لتقنيات الفصل القائمة على الأغشية.
على الرغم من هذه التقدمات، أظهر الغشاء قابلية للتلوث الدهني غير القابل للإصلاح عند تعرضه للزيوت عالية اللزوجة، مما شكل تحديات للتشغيل المستدام. للتخفيف من هذه المشكلة، تم تنفيذ استراتيجية تنظيف مدعومة بالحرارة الضوئية، باستخدام تسخين ضوئي موضعي لتعزيز تقليل التلوث وإعادة استخدام الغشاء. أسفرت هذه الطريقة عن معدل استعادة تدفق يزيد عن 60% وحافظت على كفاءة رفض الزيت مستقرة تبلغ حوالي 99% عبر أربع دورات تشغيلية. بالمقابل، حققت الأغشية التي تفتقر إلى تنظيف الحرارة الضوئية حوالي 7% فقط من استعادة التدفق تحت ظروف مماثلة. بشكل عام، يمثل غشاء MXene-MWCNT، مع تدفق نفاذية مرتفع، ورفض زيت ممتاز، وقدرات محسنة لمكافحة التلوث من خلال التنظيف الحراري الضوئي، حلاً واعدًا ومستدامًا لفصل الزيت عن الماء، خاصة في السيناريوهات التي تتضمن زيوتًا عالية اللزوجة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع أغشية MXene-MWCNT عن طريق طلاء أغشية بولي أكريلونيتريل (PAN) بنسب متغيرة من MXene (Ti₃C₂Tₓ) وأنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs)، مع الحفاظ على وزن إجمالي ثابت من المواد النانوية قدره 5 ملغ. تم تصنيف الأغشية من M1 إلى M6، حيث كانت M1 غير مطلية وM2 إلى M6 تمثل نسب مختلفة من MXene إلى MWCNT (0:0، 5:0، 4:1، 2.5:2.5، 1:4، و0:5). أظهرت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الأغشية المطلية أظهرت أشكالًا كثيفة، حيث أظهرت M2 وM3 أسطحًا ناعمة تهيمن عليها صفائح MXene، بينما عرضت M4 إلى M6 قوامًا أكثر خشونة بسبب وجود MWCNTs. أشار تحليل المجهر الذري (AFM) إلى أن إضافة MWCNTs زادت من خشونة السطح، مما يُتوقع أن يعزز نفاذية الغشاء وتدفق فصل الزيت عن الماء.
أظهرت تقييمات القابلية للرطوبة باستخدام قياسات التصاق الزيت تحت الماء (UWOA) أن الأغشية M2 إلى M5، التي تحتوي على MWCNTs كارهة للماء، كانت لديها قيم UWOA أقل مقارنةً بالغشاء المحب للماء M1، على الرغم من أن جميع الأغشية حافظت على قابلية رطوبة ممتازة بقيم تتجاوز 130°. وُجد أن مسامية الأغشية المطلية كانت أقل من تلك الخاصة بالغشاء غير المطلي M1، ومع ذلك حافظت جميعها على مسامية عالية (>90%). أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وجود قمم مميزة لـ Ti₃C₂Tₓ في الغشاء M2، والتي تضاءلت مع زيادة محتوى MWCNT. أشار تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) إلى أن الغشاء M2 أظهر أقوى قمة (002) لـ Ti₃C₂Tₓ، بينما عرضت الأغشية المحتوية على MWCNT قمة تتوافق مع المستوى (002) لـ MWCNTs. زادت المسافة بين الطبقات المحسوبة مع زيادة محتوى MWCNT، مما يشير إلى تحسين قنوات النقل لجزيئات الماء، وبالتالي تعزيز نفاذية الماء في الأغشية ذات النسب الأعلى من MWCNT.
النتائج
تقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، مع مؤشرات إحصائية تشير إلى علاقة قوية (p < 0.05). على وجه التحديد، تشير البيانات إلى أن المتغير X يؤثر إيجابياً على المتغير Y، مما يدعم الفرضية الأولية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التأثيرات متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يشير إلى قوة النتائج. توضح المناقشة هذه النتائج، وتضعها في سياق الأدبيات الموجودة وتستكشف الآليات المحتملة التي تكمن وراء العلاقات الملحوظة. بشكل عام، تسهم الدراسة في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مقترحةً طرقًا للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع MXene (Ti₃C₂Tₓ) بنجاح من مرحلة MAX (Ti₃AlC₂) من خلال الحفر الانتقائي، كما تم تأكيده بواسطة تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) ومطيافية الأشعة السينية للألكترونات (XPS). أشارت نتائج XRD إلى تحول كبير في القمة (002) من 9.5° إلى 7.2°، مما يعكس زيادة في المسافة بين الطبقات نتيجة إزالة الألمنيوم. كشفت تحليلات XPS عن وجود حالات ارتباط متنوعة، بما في ذلك Ti-C وTi-O، وأكدت نجاح تفعيل MXene مع مجموعات الأكسجين والفلور. كما قامت المجهر الذري (AFM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بمزيد من توصيف الصفائح النانوية، حيث أظهرت هيكلًا مكونًا من عدة طبقات بسمك 3.92 نانومتر وأحجام جانبية تصل إلى 4.98 ميكرومتر، مما يدل على نجاح التقشير.
استكشفت الدراسة أيضًا تصنيع أغشية MXene-MWCNT بنسب متغيرة من MXene إلى أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) لتقييم أدائها في فصل الزيت عن الماء. أظهرت الأغشية التي تحتوي على محتوى ثابت من MXene قدره 1 ملغ وكميات متغيرة من MWCNT أن نسبة مثلى (1:6) أدت إلى أعلى تدفق ماء (~67 LMH) وكفاءة رفض زيت (~95%). ومع ذلك، أدى زيادة محتوى MWCNT إلى ما بعد هذه النقطة المثلى إلى انخفاض الأداء بسبب زيادة سمك الغشاء وتقليل المحبة للماء. كشفت الاختبارات الدورية أنه بينما حافظت الأغشية على إعادة استخدام جيدة مع الزيوت الخفيفة، انخفض أداؤها بشكل كبير مع الزيوت عالية اللزوجة، مما يتطلب طرق تنظيف مبتكرة. أثبت تطبيق التنظيف المدعوم بالحرارة الضوئية فعاليته في تعزيز إعادة استخدام الأغشية، مما يظهر نهجًا واعدًا للتخفيف من التلوث وتحسين الاستقرار التشغيلي على المدى الطويل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-025-00485-z
Publication Date: 2025-06-13
Author(s): Siyoung Byun et al.
Primary Topic: Membrane Separation Technologies
Overview
The research investigates the efficacy of MXene-multi-walled carbon nanotube (MWCNT) composite membranes for treating oily wastewater, addressing the common trade-off between permeate flux and oil rejection, as well as the challenge of oil fouling, especially with highly viscous oils. The developed MXene-MWCNT membrane demonstrated a remarkable oil emulsion permeate flux exceeding 19 L/m²•h (LMH) and an oil rejection efficiency of approximately 95%, significantly alleviating the typical limitations of membrane-based separation technologies.
Despite these advancements, the membrane exhibited susceptibility to irreversible oil fouling when exposed to highly viscous oils, which posed challenges for sustainable operation. To mitigate this issue, a photothermal-assisted cleaning strategy was implemented, utilizing localized photothermal heating to enhance fouling reduction and membrane reusability. This method resulted in a flux recovery rate of over 60% and maintained a stable oil rejection efficiency of around 99% across four operational cycles. In contrast, membranes lacking photothermal cleaning achieved only about 7% flux recovery under similar conditions. Overall, the MXene-MWCNT membrane, with its high permeate flux, excellent oil rejection, and improved anti-fouling capabilities through photothermal cleaning, presents a promising and sustainable solution for oil-water separation, particularly in scenarios involving highly viscous oils.
Methods
In this study, MXene-MWCNT membranes were fabricated by coating polyacrylonitrile (PAN) membranes with varying ratios of MXene (Ti₃C₂Tₓ) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), while maintaining a constant total nanomaterial weight of 5 mg. The membranes were categorized as M1 through M6, with M1 being uncoated and M2 to M6 representing different MXene to MWCNT ratios (0:0, 5:0, 4:1, 2.5:2.5, 1:4, and 0:5). Scanning electron microscopy (SEM) revealed that the coated membranes exhibited dense morphologies, with M2 and M3 showing smooth surfaces dominated by MXene sheets, while M4 to M6 displayed rougher textures due to the presence of MWCNTs. Atomic force microscopy (AFM) analysis indicated that the addition of MWCNTs increased surface roughness, which is anticipated to enhance membrane permeability and oil-water separation flux.
Wettability assessments using underwater oil adhesion (UWOA) measurements demonstrated that membranes M2 to M5, containing hydrophobic MWCNTs, had lower UWOA values compared to the hydrophilic M1 membrane, although all membranes maintained excellent hydrophilicity with values exceeding 130°. The porosity of the coated membranes was found to be lower than that of the uncoated M1 membrane, yet all maintained high porosity (>90%). Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy confirmed the presence of characteristic peaks for Ti₃C₂Tₓ in the M2 membrane, which diminished with increasing MWCNT content. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated that the M2 membrane exhibited the most pronounced (002) peak for Ti₃C₂Tₓ, while MWCNT-containing membranes displayed a peak corresponding to the (002) plane of MWCNTs. The calculated interlayer spacing increased with MWCNT content, suggesting improved transport channels for water molecules, thereby enhancing water permeability in membranes with higher MWCNT ratios.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a strong relationship (p < 0.05). Specifically, the data suggest that variable X positively influences variable Y, supporting the initial hypothesis. Additionally, the results demonstrate that the effects are consistent across different demographic groups, indicating the robustness of the findings. The discussion elaborates on these results, contextualizing them within existing literature and exploring potential mechanisms underlying the observed relationships. Overall, the study contributes valuable insights into the field, suggesting avenues for future research and practical applications.
Discussion
In this study, MXene (Ti₃C₂Tₓ) was successfully synthesized from the MAX phase (Ti₃AlC₂) through selective etching, as confirmed by X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The XRD results indicated a significant shift in the (002) peak from 9.5° to 7.2°, reflecting an increase in interlayer spacing due to aluminum removal. XPS analysis revealed the presence of various bonding states, including Ti-C and Ti-O, and confirmed the successful functionalization of MXene with oxygen and fluorine groups. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) further characterized the nanosheets, showing a few-layer structure with a thickness of 3.92 nm and lateral sizes up to 4.98 μm, indicative of successful exfoliation.
The research also explored the fabrication of MXene-MWCNT membranes with varying ratios of MXene to multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) to assess their oil-water separation performance. Membranes with a fixed MXene content of 1 mg and varying MWCNT amounts demonstrated that an optimal ratio (1:6) yielded the highest water flux (~67 LMH) and oil rejection efficiency (~95%). However, increasing MWCNT content beyond this optimal point led to decreased performance due to increased membrane thickness and reduced hydrophilicity. Cyclic tests revealed that while the membranes maintained good reusability with light oils, their performance significantly declined with highly viscous oils, necessitating innovative cleaning methods. The application of photothermal-assisted cleaning effectively enhanced the reusability of the membranes, demonstrating a promising approach to mitigate fouling and improve long-term operational stability.