Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)
80 %
Colloid Chemistry (Council of Physical Sciences)
10 %
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
10 %
Ortelius classification: Surface chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Department of Physical Chemistry and Materials Science (University of Szeged)
Participants
Butt, Asim Mahmood Herman, Stefan Kevin
Starting date
2017-12-01
Closing date
2020-02-29
Funding (in million HUF)
19.992
FTE (full time equivalent)
2.82
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kompozitmembránokat napjainkban egyre növekvő mértékben alkalmazzák szennyvízkezelésre. A jelen NKFIH pályázatban a grafén-oxidot (GO) használjuk fel a membránok aktív rétegének új típusú komponenseként, ami a korábbiakhoz képest koncepcionálisan eltérő stratégiai megközelítést kínál a membránszűrés molekuláris szelektivitásának javítására. A kísérleti munka során egyrészt mikrométeres vastagságú, papírszerű GO réteget választunk le vákuumszűréssel a kereskedelmi polimer-alapú hordozóra, másrészt nanoléptékben változtatható vastagságú hibrid GO/polielektrolit multirétegeket preparálunk az ún. rétegről rétegre történő önrendeződéses (LbL) technikával. Ezt követően tanulmányozzuk ezen rétegek nanoszűrésben mutatott hatékonyságát különféle szennyező tesztmolekulákat tartalmazó modell vizes oldatokkal szemben. Célunk végül az, hogy szerkezet-szelektivitás összefüggéseket mutassunk ki, amelyek segítségével tervezhető szerkezetű membránokat lehet alkalmazni vegyületspecifikus nanoszűrési eljárásokban.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás alapvetően annak a kérdésnek a megválaszolására irányul, hogy lehet-e jelentősen javítani a nanoszűrő membránok szelektivitását azáltal, hogy azokat kontrollált méretű réspórusrendszert reprezentáló nanoszerkezetű bevonattal látjuk el. Hipotézisünk szerint erre lehetőséget biztosít a párhuzamosan rendeződött réteges szerkezetű grafén-oxid lamellákból felépülő szűrőlepény és hibrid polielektrolit/grafén-oxid nanofilm is. A kísérleteink egyértelműen választ adnak a kérdésre, hogy a filmdepozíció körülményei szabályozhatók-e olyan pontossággal, ami a keletkező aktívrétegek szelektivitását jelentős mértékben képes befolyásolni.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Úgy látjuk, hogy kontrollált nanoszerkezetű, ultravékony hibrid grafén alapú rétegek előállítása gyökeresen új lehetőségeket nyit meg a jelenlegi nanoszűrési, és esetleg más membránszeparációs technológiák (pl. reverz ozmózisos sómentesítés) továbbfejlesztésében. Habár a hangsúlyt laboratóriumi tesztkísérletek elvégzésébe fektetjük, a projekt hosszútávú jelentősége abban állhat, ha sikerül javítani jelenlegi vízkezelési és szennyvízkezelési technológiák hatékonyságát. Magyarországon belül ismereteink szerint hasonló kutatást nem végeznek, míg az ipari K+F projektek, ha vannak is, nem publikusak. Nemzetközi szinten a GO membránszűrésben történő felhasználásra irányuló törekvések a kezdeti felívelő szakaszban vannak, ezért a projekt eredményes végrehajtása jelentős figyelmet vonzana nemcsak a nemzetközi membránkutató, hanem az anyagkutató közösségek részéről is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A környezeti és kommunális vízkészletek gyakori szennyezői közé tartoznak olyan anyagok, amelyek eltávolítása fizikai úton, szűréssel hatékony és célszerű. Miközben sok vízkezelő üzem használ membránszeparációs eljárásokat, tekintélyes részük közvetlenül szembesül az általánosan használt szűrők potenciálisan toxikus vegyszerekkel és gyógyszerekkel szembeni gyenge szelektivitásának hátulütőivel. Projektünk sikeres végrehajtásával sokkal pontosabb betekintést nyerhetünk a lamellás szénalapú felületek nanoszűrésben mutatott szelektivitásának nanoléptékű eredetébe. Ez az ismeretanyag segíthet majd kifejleszteni különböző stratégiákat arra vonatkozóan, hogy hogyan lehet módosítani az összetett membránok szerkezetét abból a célból, hogy a pórusszerkezet hozzá tudjon igazodni a kívánt molekuláris vagy ionos szennyezőhöz, amelyeket az áteresztett vizes oldatból így könnyebben el tudunk távolítani.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The present NKFIH proposal is intended to use graphene oxide (GO) as a fundamentally new type of asymmetric membrane component, which are increasingly used nowadays in advanced sewage water treatment technologies. The experimental work will mainly concern with the fabrication and structural characterization of micron-sized GO papers and layer-by-layer self-assembled films on commercial polymer-based membranes. This will be followed by the study of the nanofiltration (NF) membrane performance of such ultrathin GO multilayers for efficient removal of a wide number and different types of ions and molecules modelling hazardous solutes in water. Our aim is to reveal structure-selectivity relationships for the membranes to reveal generic principles for proper membrane selection in specific applications.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The research is primarily directed towards to the clarification whether it is possible to achieve a significant improvement in the selectivity of nanofiltration membranes by coating them with nanostructured films representing slit-like pore systems. According to our hypothesis, this goal is enabled by paper-like micron sized and hybrid polyelectrolyte/graphene oxide nanofilms, which are both comprised of parallelly aligned GO lamellae. Our experiments will clearly answer the question whether the conditions of the film deposition can be sufficiently controlled to significantly influence the selectivity of the as-prepared active layers of the nanofiltration membranes.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. We envision that the fabrication of permeable ultrathin hybrid graphene based layers of controlled nanostructure opens up new possibilities to improve the existing nanofiltration technologies and possibly in other fields of membrane processes including reverse osmosis desalination. Although the emphasis will be placed on lab-scale investigations of the aforementioned challenges, improvement of current technologies for safer and more efficient water and wastewater purification is the long-term final goal of the present project. In Hungary, such efforts are not exercised within the scientific community, while industrial R&D projects are not public. Internationally, the direction of using GO for membrane filtration is in its early boom. Thus, the successful realization of this project might have a remarkable impact in the international membrane community, or more broadly, in the international materials science community.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Various substances exist in environmental and municipal waters, the elimination of which is most beneficial in a physical way, by membrane filtration. While many companies utilize membrane filtration technologies, they directly face the adverse effect of poor selectivity of current filters towards certain, potentially harmful chemical or pharmaceutical compounds. This project will provide a much better picture of the nanoscale origin of selectivity over lamellar carbonaceous surfaces upon nanofiltration and this knowledge will enable us to develop strategies as to how the structure of the composite membrane can be modified in order to adjust its pore structure to the specific molecules or ions for their efficient removal from water.
Final report
Results in Hungarian
A környezeti és kommunális vízkészletek gyakori szennyezői közé tartoznak olyan anyagok, amelyek eltávolítása fizikai úton, szűréssel hatékony és célszerű. A kompozitmembránokat napjainkban egyre növekvő mértékben alkalmazzák szennyvízkezelésre. Miközben sok vízkezelő üzem használ membránszeparációs eljárásokat, tekintélyes részük közvetlenül szembesül az általánosan használt szűrők potenciálisan toxikus vegyszerekkel és gyógyszerekkel szembeni gyenge szelektivitásának hátulütőivel. A jelen NKFIH pályázatban a grafén-oxidot (GO) használtuk fel a membránok aktív rétegének új típusú komponenseként, ami a korábbiakhoz képest koncepcionálisan eltérő stratégiai megközelítést kínál a membránszűrés molekuláris szelektivitásának javítására. Elsőként egy új, keresztáramú szűrési módot lehetővé tevő nanoszűrő berendezést építettünk, majd a kísérleti munka során GO rétegeket választottunk le a kereskedelmi polimer-alapú hordozóra, másrészt nanoléptékben változtatható vastagságú hibrid multirétegeket preparálunk az ún. rétegről rétegre történő önrendeződéses (LbL) technikával. Ezt követően tanulmányoztuk ezen rétegek nanoszűrésben mutatott hatékonyságát szennyező tesztmolekulákat tartalmazó modell vizes oldatokkal szemben, és megállapítottuk, hogy a grafénalapú bevonatok segítségével lehetséges a membránok gyógyszerhatóanyag-visszatartását növelni.
Results in English
Various substances exist in environmental and municipal waters, the elimination of which is most beneficial in a physical way, by membrane filtration. While many companies utilize membrane filtration technologies, they directly face the adverse effect of poor selectivity of current filters towards certain, potentially harmful chemical or pharmaceutical compounds. The present NKFIH research managed to use graphene oxide (GO) as a fundamentally new type of asymmetric membrane component, which is increasingly used nowadays in advanced sewage water treatment technologies. The experimental work mainly concerned with the fabrication and structural characterization of micron-sized GO papers and layer-by-layer self-assembled films on commercial polymer-based membranes. This was followed by the construction of a cross-flow filtration setup validated by international standard samples and then the study of the nanofiltration membrane performance of ultrathin GO multilayers for efficient removal of a pharmaceutical modelling hazardous solutes in water. We demonstrated that, by using graphene based coatings, it is possible to increase the rejection of this pharmaceutical.
Szabó Tamás: Self-assembly strategies for the deposition of GO and derived graphene-based mono- and multilayers, Book of abstracts, 11th Conference on Colloid Chemistry, 2018
Áron Dernovics, Nizar B. Alsharif, Tamás Szabó: Graphene Oxide/Polycation Layer-by-layer Structures Assembled from Acidic, Basic and Neutral Solutions, Book of abstracts, 11th Conference on Colloid Chemistry, 2018
Tamas Szabo: Unusual immersion stability of ultrathin polycation/graphene oxide layer-by-layer structures in electrolyte solutions, Book of abstracts, 32 nd Conference of European Colloid and Interface Society, 2018
Tamás Szabó, Alexandr Talyzin: Graphene oxide membranes as swellable structures, Book of abstracts, 8th SIWAN Conference Szeged, 2018
Tamas Szabo: Semiconductor nanoparticle/graphene oxide composites for environmental applications, Book of abstracts, Chemistry, Physics and Biology of Colloids and Interfaces, 2019, 2019
K. Herman, J. Tavares, E. Illés, R. Patakfalvi, T. Szabó: Heterocoagulation assisted synthesis of zirconia/graphite oxide nanocomposites, Book of abstracts, Chemistry, Physics and Biology of Colloids and Interfaces, 2019, 2019, 2019
Tamás Szabó, Alexandr Talyzin: Swellable assemblies of graphene oxide nanosheets, Book of abstracts, World Carbon Conference 2019, 2019
Tamas Szabo: INTERCALATION OF COPPER(II) BIPYRIDINE COMPLEXES INTO GRAPHITE OXIDE, Book of abstracts, Beyond Adsorption II Carbon Satellite Workshop, 2019
Tamás Szabó*, Nizar Alsharif, Kevin Stefan Herman: Structural integrity of polyelectrolyte/graphene oxide layer-by-layer assemblies in concentrated aqueous solutions, Book of abstracts, World Carbon Conference 2019, 2019, 2019
Herman Kevin, Tavares José, Illés Erzsébet, Patakfalvi Rita, Szabó Tamás: Heterocoagulation assisted synthesis of zirconia/graphite oxide nanocomposites, Book of abstracts, Chemistry, Physics and Biology of Colloids and Interfaces 2019, 2019
Szabó Tamás: Intercalation of Copper(II) Bipyridine Complexes into Graphite Oxide, Book of abstracts, Beyond Adsorption II Carbon Satellite Workshop 2019, 2019
Papadakis Ioannis, Bakandritsos Aristides, Swain Kumar Aksaya, Szabo Tamas, Couris Stelios: Effects of size and oxidation on the nonlinear optical response and optical limiting of graphene oxide sheets, The Journal of Physical Chemistry C (közlésre elküldve), 2020
