Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού
Τον τελευταίο αιώνα ένα από τα πιο παράδοξα ζητήματα αποτελεί το γεγονός πως το νερό στον πλανήτη είναι άφθονο αλλά το διαθέσιμο νερό για χρήση είναι λιγοστό. Επιπλέον, η αυξανόμενη ζήτηση και ρύπανση των γλυκών νερών, που οφείλεται στην πληθυσμιακή αύξηση και στην βιομηχανική πρόοδο, έχουν επιδεινώ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2021
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15360 |
| id |
nemertes-10889-15360 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Νανομεμβράνες άνθρακα Μεμβράνες Carbon nanomembranes Membranes |
| spellingShingle |
Νανομεμβράνες άνθρακα Μεμβράνες Carbon nanomembranes Membranes Θεοχάρης, Παύλος Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού |
| description |
Τον τελευταίο αιώνα ένα από τα πιο παράδοξα ζητήματα αποτελεί το γεγονός πως το νερό στον πλανήτη είναι άφθονο αλλά το διαθέσιμο νερό για χρήση είναι λιγοστό. Επιπλέον, η αυξανόμενη ζήτηση και ρύπανση των γλυκών νερών, που οφείλεται στην πληθυσμιακή αύξηση και στην βιομηχανική πρόοδο, έχουν επιδεινώσει την έλλειψη υδάτινων πόρων. Ειδικά στην φαρμακευτική και την χημική βιομηχανία μια μεγάλη ποσότητα βιομηχανικών λυμάτων εκλύονται κατά την διαδικασία παραγωγής. Συνεπώς, ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που η επιστήμη καλείται να βρει λύση είναι η επεξεργασία και ο καθαρισμός νερού. Η τεχνολογία μεμβρανών είναι μια σχετικά απλή διεργασία διαχωρισμού που φαίνεται πως αποτελεί την λύση στο πρόβλημα αυτό, καθώς προσφέρει
πολλά πλεονεκτήματα όπως παραγωγή νερού υψηλής ποιότητας, χαμηλότερο κόστος και ενεργειακό αποτύπωμα σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους καθαρισμού νερού. Το ενδιαφέρον τα τελευταία 15 χρόνια για τις μεμβράνες έχει αυξηθεί σημαντικά, κάτι που έχει
ως αποτέλεσμα την παρασκευή μεμβρανών με νέα υλικά που οδηγεί σε πιο αποτελεσματικούς διαχωρισμούς. Την καινοτόμο έρευνα σε αυτό τον τομέα θεραπεύει μεταξύ άλλων και το ευρωπαϊκό πρόγραμμα ITS-THIN, ένα έργο FET Horizon 2020 στο οποίο συμμετέχει το Πανεπιστήμιο Πατρών μέσω του Εργαστηρίου Νανοτεχνολογίας και Προηγμένων Υλικών του ΤΧΜ, και το οποίο στοχεύει στην ανάπτυξη νανομεμβρανών άνθρακα (CNM) για τον αποδοτικό και ταχύ καθαρισμό νερού. Οι μεμβράνες CNM κατασκευάζονται από μοριακούς προδρόμους οργανικών ενώσεων, διαθέτουν πάχος περίπου 1 nm και έχουν αποδειχθεί εξαιρετικές σε διεργασίες επεξεργασίας νερού. Στόχος του
Εργαστηρίου στο έργο είναι η μελέτη και ο χαρακτηρισμός της μηχανικής συμπεριφοράς των νανομεμβρανών άνθρακα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι ο προσδιορισμός του ρόλου της μικρο- και νάνο-δομής στην μηχανική συμπεριφορά και τις μηχανικές ιδιότητες των νανομεμβρανών
και των συνθέτων τους.
Τέσσερεις διαφορετικοί τύποι δειγμάτων παρελήφθησαν από την γερμανική εταιρία παρασκευής των νανομεμβρανών και βιομηχανικό εταίρο στο πρόγραμμα, την CNM Technologies GmbH. Δύο από αυτούς τους τύπος ήταν μεμβράνες υποστηριζόμενες σε υπόστρωμα PET (σύνθετα CNM/PET)
με διαφορετικές διαμέτρους πόρων ενώ οι άλλοι δύο ήταν νανομεμβράνες παρασκευασμένες από διαφορετικά μόρια πρόδρομους. Τα πειράματα που έγιναν αφορούσαν στον προσδιορισμό των ιδιοτήτων των CNΜ στην νανοκλίμακα με την χρήση μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM), όπου λήφθηκαν οι τοπογραφίες και οι χαρτογραφήσεις της προσκόλλησης, της παραμόρφωσης και του
μέτρου Young των νανομεμβρανών. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι CNM θα βρίσκονται πάνω σε ένα υπόστρωμα PET στις εφαρμογές που προορίζονται, διεξάχθηκαν πειράματα εφελκυσμού μέσω του πλαισίου μικρο-εφελκυστικής φόρτισης «Deben» για τον μακροσκοπικό προσδιορισμό της μέγιστης
αντοχής και του μέτρου Young των σύνθετων CNM/PET. Τέλος σε αυτά τα δείγματα, πραγματοποιήθηκαν και πειράματα θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA),για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την συμπεριφορά της σύνθετης μεμβράνης σε υψηλές θερμοκρασίες.
Μετά την διεξαγωγή των προαναφερθέντων πειραμάτων, λήφθηκε μία καθαρή εικόνα για την μηχανική απόδοση όλων των τύπων των CNM που εξετάστηκαν με το μέτρο ελαστικότητας να κυμαίνεται μεταξύ 3-8 GPa, ανάλογα τον τύπο και την πρόδρομη ένωση της μεμβράνης. Οι σύνθετες μεμβράνες CNM, έδειξαν ότι διαθέτουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες καθώς χρειάστηκαν μεγάλες
παραμορφώσεις έως την αστοχία τους, έως και 32% ανάλογα με το πάχος, την πυκνότητα πόρων και τον χρόνο εγχάραξης. Επιπλέον, η αντοχή τους έφτασε μέχρι και τα 123 MPa ανάλογα με το πάχος, την πυκνότητα πόρων και τον χρόνο εγχάραξης. Από τα πειράματα που έγιναν, εξάχθηκε το συμπέρασμα, πως ένα πάχος στήριξης 23 μm είναι επαρκές για να υπάρχει καλή μηχανική σταθερότητα
των νανομεμβρανών. Τέλος, τα πειράματα θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης έδειξαν πως οι σύνθετες μεμβράνες CNM/PET είχαν ίδια δυσκαμψία και θερμοβαρυμετρική συμπεριφορά με το καθαρό PET.Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ενθαρρυντικά και υποδεικνύουν πως οι μηχανικές ιδιότητες που παρουσίασαν οι CNM, μπορούν να ανοίξουν τον δρόμο και για χρήση τους σε άλλες εφαρμογές εκτός από εφαρμογές εμπρόσθιας ώσμωσης και φιλτράρισμα αντίστροφης ώσμωσης σε χαμηλή πίεση για την παροχή υπερκαθαρού νερού. |
| author2 |
Theocharis, Pavlos |
| author_facet |
Theocharis, Pavlos Θεοχάρης, Παύλος |
| author |
Θεοχάρης, Παύλος |
| author_sort |
Θεοχάρης, Παύλος |
| title |
Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού |
| title_short |
Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού |
| title_full |
Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού |
| title_fullStr |
Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού |
| title_full_unstemmed |
Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού |
| title_sort |
νανομεμβράνες άνθρακα (cnm) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού |
| publishDate |
2021 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/15360 |
| work_keys_str_mv |
AT theocharēspaulos nanomembranesanthrakacnmgiaepilektikotachykaienergeiakaapodotikodiachōrismonerou AT theocharēspaulos carbonnanomembranescnmsforselectivequickandenergyefficientwaterseparation |
| _version_ |
1771297198015774720 |
| spelling |
nemertes-10889-153602022-09-05T11:17:40Z Νανομεμβράνες άνθρακα (CNM) για επιλεκτικό, ταχύ και ενεργειακά αποδοτικό διαχωρισμό νερού Carbon nanomembranes (CNMs) for selective, quick and energy efficient water separation Θεοχάρης, Παύλος Theocharis, Pavlos Νανομεμβράνες άνθρακα Μεμβράνες Carbon nanomembranes Membranes Τον τελευταίο αιώνα ένα από τα πιο παράδοξα ζητήματα αποτελεί το γεγονός πως το νερό στον πλανήτη είναι άφθονο αλλά το διαθέσιμο νερό για χρήση είναι λιγοστό. Επιπλέον, η αυξανόμενη ζήτηση και ρύπανση των γλυκών νερών, που οφείλεται στην πληθυσμιακή αύξηση και στην βιομηχανική πρόοδο, έχουν επιδεινώσει την έλλειψη υδάτινων πόρων. Ειδικά στην φαρμακευτική και την χημική βιομηχανία μια μεγάλη ποσότητα βιομηχανικών λυμάτων εκλύονται κατά την διαδικασία παραγωγής. Συνεπώς, ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που η επιστήμη καλείται να βρει λύση είναι η επεξεργασία και ο καθαρισμός νερού. Η τεχνολογία μεμβρανών είναι μια σχετικά απλή διεργασία διαχωρισμού που φαίνεται πως αποτελεί την λύση στο πρόβλημα αυτό, καθώς προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα όπως παραγωγή νερού υψηλής ποιότητας, χαμηλότερο κόστος και ενεργειακό αποτύπωμα σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους καθαρισμού νερού. Το ενδιαφέρον τα τελευταία 15 χρόνια για τις μεμβράνες έχει αυξηθεί σημαντικά, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα την παρασκευή μεμβρανών με νέα υλικά που οδηγεί σε πιο αποτελεσματικούς διαχωρισμούς. Την καινοτόμο έρευνα σε αυτό τον τομέα θεραπεύει μεταξύ άλλων και το ευρωπαϊκό πρόγραμμα ITS-THIN, ένα έργο FET Horizon 2020 στο οποίο συμμετέχει το Πανεπιστήμιο Πατρών μέσω του Εργαστηρίου Νανοτεχνολογίας και Προηγμένων Υλικών του ΤΧΜ, και το οποίο στοχεύει στην ανάπτυξη νανομεμβρανών άνθρακα (CNM) για τον αποδοτικό και ταχύ καθαρισμό νερού. Οι μεμβράνες CNM κατασκευάζονται από μοριακούς προδρόμους οργανικών ενώσεων, διαθέτουν πάχος περίπου 1 nm και έχουν αποδειχθεί εξαιρετικές σε διεργασίες επεξεργασίας νερού. Στόχος του Εργαστηρίου στο έργο είναι η μελέτη και ο χαρακτηρισμός της μηχανικής συμπεριφοράς των νανομεμβρανών άνθρακα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι ο προσδιορισμός του ρόλου της μικρο- και νάνο-δομής στην μηχανική συμπεριφορά και τις μηχανικές ιδιότητες των νανομεμβρανών και των συνθέτων τους. Τέσσερεις διαφορετικοί τύποι δειγμάτων παρελήφθησαν από την γερμανική εταιρία παρασκευής των νανομεμβρανών και βιομηχανικό εταίρο στο πρόγραμμα, την CNM Technologies GmbH. Δύο από αυτούς τους τύπος ήταν μεμβράνες υποστηριζόμενες σε υπόστρωμα PET (σύνθετα CNM/PET) με διαφορετικές διαμέτρους πόρων ενώ οι άλλοι δύο ήταν νανομεμβράνες παρασκευασμένες από διαφορετικά μόρια πρόδρομους. Τα πειράματα που έγιναν αφορούσαν στον προσδιορισμό των ιδιοτήτων των CNΜ στην νανοκλίμακα με την χρήση μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM), όπου λήφθηκαν οι τοπογραφίες και οι χαρτογραφήσεις της προσκόλλησης, της παραμόρφωσης και του μέτρου Young των νανομεμβρανών. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι CNM θα βρίσκονται πάνω σε ένα υπόστρωμα PET στις εφαρμογές που προορίζονται, διεξάχθηκαν πειράματα εφελκυσμού μέσω του πλαισίου μικρο-εφελκυστικής φόρτισης «Deben» για τον μακροσκοπικό προσδιορισμό της μέγιστης αντοχής και του μέτρου Young των σύνθετων CNM/PET. Τέλος σε αυτά τα δείγματα, πραγματοποιήθηκαν και πειράματα θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA),για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την συμπεριφορά της σύνθετης μεμβράνης σε υψηλές θερμοκρασίες. Μετά την διεξαγωγή των προαναφερθέντων πειραμάτων, λήφθηκε μία καθαρή εικόνα για την μηχανική απόδοση όλων των τύπων των CNM που εξετάστηκαν με το μέτρο ελαστικότητας να κυμαίνεται μεταξύ 3-8 GPa, ανάλογα τον τύπο και την πρόδρομη ένωση της μεμβράνης. Οι σύνθετες μεμβράνες CNM, έδειξαν ότι διαθέτουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες καθώς χρειάστηκαν μεγάλες παραμορφώσεις έως την αστοχία τους, έως και 32% ανάλογα με το πάχος, την πυκνότητα πόρων και τον χρόνο εγχάραξης. Επιπλέον, η αντοχή τους έφτασε μέχρι και τα 123 MPa ανάλογα με το πάχος, την πυκνότητα πόρων και τον χρόνο εγχάραξης. Από τα πειράματα που έγιναν, εξάχθηκε το συμπέρασμα, πως ένα πάχος στήριξης 23 μm είναι επαρκές για να υπάρχει καλή μηχανική σταθερότητα των νανομεμβρανών. Τέλος, τα πειράματα θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης έδειξαν πως οι σύνθετες μεμβράνες CNM/PET είχαν ίδια δυσκαμψία και θερμοβαρυμετρική συμπεριφορά με το καθαρό PET.Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ενθαρρυντικά και υποδεικνύουν πως οι μηχανικές ιδιότητες που παρουσίασαν οι CNM, μπορούν να ανοίξουν τον δρόμο και για χρήση τους σε άλλες εφαρμογές εκτός από εφαρμογές εμπρόσθιας ώσμωσης και φιλτράρισμα αντίστροφης ώσμωσης σε χαμηλή πίεση για την παροχή υπερκαθαρού νερού. In the last century, one of the most paradoxical issues is the fact that while water on earth is abundant, the available potable water is scarce. Moreover, increased demand and pollution of fresh water, caused by industrial progress and population growth, has further exacerbated the shortage of water resources. Especially in pharmaceutical and chemical industries a large amount of industrial wastewater is discharged during the production process. Therefore, one of the most important problems that science must deal with is the water purification and treatment. Membrane technology is a relatively simple separation process that seems to be the solution to this problem, as it offers plenty of advantages, such as high-quality water production, lower cost and energy footprint compared to conventional water purification methods. The interest in membranes has increased significantly in the last 15 years, which results in the production of state-of-the-art membranes leading to more efficient separations. Innovative research in this field is addressed, by the European program ITS-THIN, a FET Horizon 2020 project in which the University of Patras participates through the Nanotechnology and Advanced Materials Laboratory of Department of Chemical Engineering, which aims at the development of carbon nanomembranes (CNM) for efficient and fast water purification.These membranes are made of organic compounds molecular precursors, are about 1 nm thick and have shown to be excellent in water treatment processes. The aim of the Laboratory in the project is the study and characterization of the mechanical behavior of carbon nanomembranes. The purpose of this thesis is to determine the role of microand nanostructure in the mechanical behavior and the mechanical properties of nanomembranes and their composites. Four different types of samples were received from the German nanomembrane manufacturing company and industrial partner in the program, CNM Technologies GmbH. Two of these types were membranes supported on a PET substrate (CNM/PET composite) with different pore diameters while the other two were nanomembranes made from different precursor molecules. The experiments were conducted to determine the properties of CNMs at the nanoscale using an atomic force microscope (AFM), where the topography and mapping of adhesion, deformation, and Young’s modulus for CNMs were obtained. Moreover, since the CNMs will be on the top of a PET substrate in the intended applications, tensile experiments were performed using a Deben device, to macroscopically determine the ultimate strength and Young’s Modulus of CNM/PET. Finally, in these samples, thermogravimetric analysis (TGA) was performed to monitor the composite’s behavior at high temperatures. These experiments gave us the chance to obtain a clear picture for the mechanical performance of all CNMs types that were tested with the Young’s Modulus being between 3-8 GPa, depending on the type and the molecular precursor of the membrane. CNM-composite membranes have shown excellent mechanical properties as they required high strains to failure, up to 32% depending on thickness, pore density and etching time. Additionally, high strengths were recorded, up to 123 MPa depending on thickness, pore density and etching time. From the conducted experiments, it was concluded that a support thickness of 23 μm is adequate for good mechanical stability. Finally, TGA experiments showed that CNM-composite membranes have similar stiffness and thermogravimetric behavior as pure PET. The results were very promising and hint that CNMs’ mechanical properties, can lead the way for their use in applications other than cold concentration by forward osmosis and low-pressure reverse osmosis filtration for the delivery of ultrapure water. 2021-10-18T07:52:25Z 2021-10-18T07:52:25Z 2021-10-04 http://hdl.handle.net/10889/15360 gr application/pdf |
