In the present study, the water desalination across the penta-graphene has been explored by using molecular dynamics simulation. The penta-graphene, a new carbon allotrope, introduced theoretically in 2015. It was shown that this carbon nanostructure is slightly stiffer against buckling in comparison with the graphene nanoribbons. The effect of radius of curvature (ROC) of the membrane, pore size, and applied pressure, on water flow rate, and salt rejection is investigated. It is shown that salt rejection, and the shape of the oxygen density distribution inside the pore can be influenced by the ROC of membrane. Finally, it is shown that the ROC, and pore size of 2D membranes, play an important role in the salt rejection.
Yu, Hye-Weon;Song, Jun-Ho;Kim, Chang-Min;Yang, Euntae;Kim, In S.
Membrane Journal
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v.28
no.1
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pp.75-82
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2018
Forward osmosis (FO) desalination system has been highlighted to improve the energy efficiency and drive down the carbon footprint of current reverse osmosis (RO) desalination technology. To improve the trade-off between water flux and salt rejection of thin film composite (TFC) desalination membrane, thin film nanocomposite membranes (TFN), in which nanomaterials as a filler are embeded within a polymeric matrix, are being explored to tailor the separation performance and add new functionality to membranes for water purification applications. The objective of this article is to develop a graphene nanocomposite membrane with high performance of water selective permeability (high water flux, high salt rejection, and low reverse solute diffusion) as a next-generation FO desalination membrane. For advances in fabrication of graphene oxide (GO) membranes, layer-by-layer (LBL) technique was used to control the desirable structure, alignment, and chemical functionality that can lead to ultrahigh-permeability membranes due to highly selective transport of water molecules. In this study, the GO nanocomposite membrane fabricated by LBL dip coating method showed high water flux ($J_w/{\Delta}{\pi}=2.51LMH/bar$), water selectivity ($J_w/J_s=8.3L/g$), and salt rejection (99.5%) as well as high stability in aqueous solution and under FO operation condition.
Kim, Chang-Min;Park, Ki-Bum;Kim, Kwang-Soo;Kim, In S.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.37
no.11
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pp.649-655
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2015
As a novel water treatment membrane, concept of ceramic-based graphene membrane (CbGM) was suggested, and its mass transport behavior was investigated. The selectivity of CbGM was given by graphene material which is consisting of active layer, only transmitting water, but rejecting salts. Filtration-assisted assembly methods was employed as a facile method to fabricate CbGM. Surface morphology and characteristics of CbGM were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and contact angle. In addition, three different kinds of solutes (i.e., NaCl, $MgCl_2$, $Na_2SO_4$) were tested in batch forward osmosis system to confirm the mass transport behavior. Through surface morphology analysis and mass transport behavior, it was revealed that interlocking between graphene layers is very important, rather than thickness of laminated graphene layers, in terms of selectivity to CbGM. All the anions in each solute showed faster transport than those of cations. In addition, solutes which have high ion valence charge ratio of anion to cation ($Z^-/Z^+$) was easier to be passed through CbGM. It indirectly implied that the surface charge of CbGM appear to be positive. In addition, It showed that surface charge of CbGM has a great role on mass transport, in particular, transport of matter having charges, generally ions.
In recent decades, many researchers have tried to improve desalination performances of polyamide (PA) thin-film composite membranes (TFCs) by incorporating nanomaterials into a selective PA layer. This review focuses on PA-based nanocomposite membranes with high performances for energy-effective desalination in reverse osmosis. Carbon based nanomaterial (e.g., graphene oxide (GO), carbon nanotubes (CNT)) and/or other nanoparticles (e.g., zeolite, silica and etc.,) were applied to overcome the trade-off correlation between water permeability and salt rejection of current polymeric desalination membranes. Here, this brief review will discuss current studies of PA-based nanocomposite membranes with enhanced separation characteristics and provide the future research direction to achieve further improved desalination performances.
Tarif Ahmed;Jin Sun Cha;Chan-gyu Park;Ho Kyong Shon;Dong Suk Han;Hyunwoong Park
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.14
no.3
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pp.222-230
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2023
Capacitive deionization of saline water is one of the most promising water purification technologies due to its high energy efficiency and cost-effectiveness. This study synthesizes porous carbon composites composed of reduced graphene oxide (rGO) and activated carbon (AC) with various rGO/AC ratios using a facile chemical method. Surface characterization of the rGO/AC composites shows a successful chemical reduction of GO to rGO and incorporation of AC into rGO. The optimized rGO/AC composite electrode exhibits a specific capacitance of ~243 F g-1 in a 1 M NaCl solution. The galvanostatic charging-discharging test shows excellent reversible cycles, with a slight shortening in the cycle time from the ~260th to the 530th cycle. Various monovalent sodium salts (NaF, NaCl, NaBr, and NaI) and chloride salts (LiCl, NaCl, KCl, and CsCl) are deionized with the rGO/AC electrode pairs at a cell voltage of 1.3 V. Among them, NaI shows the highest specific adsorption capacity of ~22.2 mg g-1. Detailed surface characterization and electrochemical analyses are conducted.
Kim, Tae-Ho;Song, Seok Hyun;Jo, Kyung-Il;Koo, Jaseung
Journal of Adhesion and Interface
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v.20
no.3
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pp.110-115
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2019
Graphene oxide has been gathering interests as a way to exfoliate graphene. Since the oxidation group of graphene oxide can hydrogen bond with various functional groups, tremendous efforts have been actively conducted to apply various applications. However, graphene oxide alone cannot substantially possess the mechanical properties required for the practical application. Therefore, in this study, polydopamine, which is a bio-mimetic mussel protein-inspired material, was combined with graphene oxide to form a large-area composite membrane at the liquid-gas interface. In addition, the morphology of the polydopamine-graphene oxide composite thin film was also controlled to obtain a composite membrane having a nano-wrinkle structure. It can be expected to be used in the next generation seawater desalination membranes or carbon composites because it can form mechanically superior and sophisticated nanostructures.
Water supplies are decreasing in comparison to increasing clean water demands. Using nanofiltration is one of the most effective and economical methods to meet the need for clean water. Common methods for desalination are reverse osmosis and nanofiltration. However, pristine membranes lack the essential features which are, stability, economic efficiency, antibacterial and antifouling performances. To enhance the properties of the pristine membranes, graphene oxide (GO) is a promising and widely researched material for thin film composites (TFC) membrane due to their characteristics that help improve the hydrophilicity and anti-fouling properties. Modification of the membrane can be done on different layers. The thin film composite membranes are composed of three different layers, the top filtering active thin polyamide (PA) layer, supporting porous layer, and supporting fabric. Forward osmosis (FO) process is yet another energy efficient desalination process, but its efficiency is affected due to biofouling. Incorporation of GO enhance antibacterial properties leading to reduction of biofilm formation on the membrane surface. Pressure retarded osmosis (PRO) is an excellent process to generate clean energy from sea water and the biofouling of membrane is reduced by introduction of GO into the active layer of the TFC membrane. Different modifications on the membranes are being researched, each modification with its own advantages and disadvantages. In this review, modifications of nanofiltration membranes and their composites, characterization, and performances are discussed.
This paper reports the effect of adding reduced graphene oxide (RGO) as a conductive material to the composition of an electrode for capacitive deionization (CDI), a process to remove salt from water using ionic adsorption and desorption driven by external applied voltage. RGO can be synthesized in an inexpensive way by the reduction and exfoliation of GO, and removing the oxygen-containing groups and recovering a conjugated structure. GO powder can be obtained from the modification of Hummers method and reduced into RGO using a thermal method. The physical and electrochemical characteristics of RGO material were evaluated and its desalination performance was tested with a CDI unit cell with a potentiostat and conductivity meter, by varying the applied voltage and feed rate of the salt solution. The performance of RGO was compared to graphite as a conductive material in a CDI electrode. The result showed RGO can increase the capacitance, reduce the equivalent series resistance, and improve the electrosorption capacity of CDI electrode.
Buchheim, Jakob;Wyss, Roman M.;Kim, Chang-Min;Deng, Mengmeng;Park, Hyung Gyu
Membrane Journal
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v.26
no.4
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pp.239-252
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2016
Two-dimensional materials offer unique characteristics for membrane applications to water technology. With its atomic thickness, availability and stackability, graphene in particular is attracting attention in the research and industrial communities. Here, we present a brief overview of the recent research activities in this rising topic with bringing two membrane architecture into focus. Pristine graphene in single- and polycrystallinity poses a unique diffusion barrier property for most of chemical species at broad ambient conditions. If well designed and controlled, physical and chemical perforation can turn this barrier layer to a thinnest feasible membrane that permits ultimate permeation at given pore sizes. For subcontinuum pores, both molecular dynamics simulations and experiments predict potential salt rejection to envisage a seawater desalination application. Another novel membrane architecture is a stack of individual layers of 2D materials. When graphene-based platelets are chemically modified and stacked, the interplanar spacing forms a narrow transport pathway capable of separation of solvated ions from pure water. Bearing unbeknownst permeance and selectivity, both membrane architecture - ultrathin porous graphene and stacked platelets - offer a promising prospect for new extraordinary membranes for water technology applications.
Increasing harmful effects of climate change, such as its effect on water scarcity, has led to a focus on developing effective water purification methods to obtain pure water. Additionally, rising levels of water pollution is increasing levels of environmental degradation, calling for sources of water treatment to remove contaminants. To purify water, osmotic processes across a semipermeable membrane can take place, and recent studies are showing that incorporating nanoparticles, including carbon quantum dots (CQDs), graphene carbon dots (GQDs), and graphene oxide quantum dots (GOQDs) are making thin film composite (TFC) membranes more effective by increasing water flux while maintaining similar levels of salt rejection, increasing the hydrophilicity of the membrane surface, showing bactericidal properties, exhibiting antifouling properties to prevent accumulation of bacteria or other microorganisms from reducing the effectiveness of the membrane, and more. In the review, the synthesis process, applications, functionality, properties, and the role of several types of quantum dots are discussed in the composite membrane for water purification.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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