مروری بر کاربرد نقاط کوانتومی کربن (CQDs) در فناوری های غشایی
الموضوعات :
1 - دانشگاه بیرجند
الکلمات المفتاحية: نقاط کوانتومی کربن, نقاط کوانتومی گرافن‌اکسید, جداسازی غشایی, ضدرسوب,
ملخص المقالة :
نقاط کوانتومی کربن (Carbon Quantum Dots)، که نوع جذابی از کربن‌های نانوساختار هستند، اخیراً توجه گسترده‌ای را در زمینه فناوریهای غشایی برای کاربردهایشان در فرایندهای جداسازی به خود جلب کردهاند. به این دلیل که آن ها دو مزیت منحصربه‌فرد دارند. تولید آن ها آسان و ارزان است، در حالی که خواص فیزیکوشیمیایی آن ها مانند اندازه های بسیار کوچک، زیست سازگاری خوب، بی اثری شیمیایی بالا، آب دوستی قابل‌تنظیم، غنی از گروه های عملکردی سطحی و ویژگی های ضدرسوب بسیار مطلوب هستند. محققان با استفاده از این موارد، کاربرد آن ها را در طرح‌های مختلف غشاء برای اسمز معکوس (Reverse Osmosis)، اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration)، نانوفیلتراسیون (Nonofiltration)، اسمز مستقیم (Forward Osmosis)، اسمز عقب‌مانده فشاری (Pressure Retarded Osmosis)، تقطیر غشایی (Membrane Distillation) و فرایندهای نانوفیلتراسیون حلال آلی (Organic Solvent Nanofiltration) مورد بررسی قرار دادند. به‌طور خاص، CQDs به ویژه اکتشاف در زمینه تصفیه آب توسط فناوری های غشایی را تحریک کرده اند، زیرا زیست سازگاری مواد غشایی برای اطمینان از ایمنی آب آشامیدنی از اهمیت بالایی برخوردار است. علاوه بر این، CQDs در موقعیت مطلوبی برای دستیابی به عملکرد بی سابقه فرایندهای جداسازی غشایی در تصفیه آب، با توجه به افزایش کارایی قابل توجه و تمایل ضدرسوب، همان طور که در تحقیق های اخیر کشف شده است، قرار دارند. در این مقاله، پیشرفت در توسعه غشاهای CQDs گنجانده شده و چالش-ها و دیدگاه های موجود بررسی شده است.
1. Baker S.N., Baker G.A., Luminescent Carbon Nanodots: Emergent Nanolights, Angewandte Chemie International Edition, 49, 6726-6744, 2010.
2. Lim S.Y., Shen W., Gao Z., Carbon Quantum Dots and Their Applications, Chemical Society Reviews, 44, 362-381, 2015.
3. Wang Y., Hu A., Carbon Quantum Dots: Synthesis, Properties and Applications, Journal of Materials Chemistry C, 2, 6921-6939, 2014.
4. Xu X., Ray R., Gu Y., Ploehn H.J., Gearheart L., Raker K., Scrivens W.A., Electrophoretic Analysis and Purification of Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotube Fragments, Journal of the American Chemical Society, 126, 12736-12737, 2004.
5. Hutton G.A.M., Martindale B.C.M., Reisner E., Carbon Dots as Photosensitisers for Solar-Driven Catalysis, Chemical Society Reviews, 46, 6111-6123, 2017.
6. Li H., Kang Z., Liu Y., Lee S.-T., Carbon Nanodots: Synthesis, Properties and Applications, Journal of Materials Chemistry, 22, 24230-24253, 2012.
7. Li X., Rui M., Song J., Shen Z., Zeng H., Carbon and Graphene Quantum Dots for Optoelectronic and Energy Devices: A Review, Advanced Functional Materials, 25, 4929-4947, 2015.
8. Shen J., Zhu Y., Yang X., Li C., Graphene Quantum Dots: Emerging Nanolights for Bioimaging, Sensors, and Catalysis and Photovoltaic Devices, Chemical Communications, 48, 3686-3699, 2012.
9. Wang R., Lu K.-Q., Tang Z.-R., Xu Y.-J., Recent Progress in Carbon Quantum Dots: Synthesis, Properties and Applications in Photocatalysis, Journal of Materials Chemistry A, 5, 3717-3734, 2017.
10. Wu X., Tian F., Wang W., Chen J., Wu M., Zhao J.X., Fabrication of Highly Fluorescent Graphene Quantum Dots Using L-Glutamic Acid for in Vitro/in Vivo Imaging and Sensing, Journal of Materials Chemistry C, 1, 4676-4684, 2013.
11. Zhang Y., He Y.H., Cui P.P., Feng X.T., Chen L., Yang Y.Z., Liu X.G., Watersoluble, Nitrogen-Doped Fluorescent Carbon Dots for Highly Sensitive and Selective Detection of Hg2+ in Aqueous Solution, RSC Advances, 5, 40393-40401, 2015.
12. Hu S., Tian R., Dong Y., Yang J., Liu J., Chang Q., Modulation and Effects of Surface Groups on Photoluminescence and Photocatalytic Activity of Carbon Dots, Nanoscale, 5, 11665-11671, 2013.
13. Li H., Liu R., Lian S., Liu Y., Huang H., Kang Z., Near-Infrared Light Controlled Photocatalytic Activity of Carbon Quantum Dots for Highly Selective Oxidation Reaction, Nanoscale, 5, 3289-3297, 2013.
14. Demchenko P., Dekaliuk M.O., Novel Fluorescent Carbonic Nanomaterials for Sensing and Imaging, Methods and Applications in Fluorescence, 1, 042001, 2013.
15. Zhang Y., Chung T.S., Graphene Oxide Membranes for Nanofiltration, Current opinion in chemical engineering, 16, 9-15, 2017.
16. Zheng A.-X., Cong Z.-X., Wang J.-R., Li J., Yang H.-H., Chen G.-N., Highlyefficient Peroxidase-Like Catalytic Activity of Graphene Dots for Biosensing, Biosensors and Bioelectronics, 49, 519-524, 2013.
17. Nurunnabi M., Khatun Z., Huh K.M., Park S.Y., Lee D.Y., Cho K.J., Lee Y.-K., In Vivo Biodistribution and Toxicology of Carboxylated Graphene Quantum Dots, ACS Nano., 7, 6858-6867, 2013.
18. Jiang Y., Biswas P., and Fortner J.D., A Review of Recent Developments in Graphene-Enabled Membranes for Water Treatment, Environmental Science: Water Research & Technology journal, 2, 915-922, 2016.
19. Guo C.X., Zhao D., Zhao Q., Wang P., Lu X., Na+-Functionalized Carbon Quantum Dots: A New Draw Solute in Forward Osmosis for Seawater Desalination, Chemical Communications, 50, 7318-7321, 2014.
20. Lin L., Zhang S., Creating High Yield Water Soluble Luminescent Graphene Quantum Dots via Exfoliating and Disintegrating Carbon Nanotubes and Graphite Flakes, Chemical Communications, 48, 10177-10179, 2012.
21. Dong Y., Zhou N., Lin X., Lin J., Chi Y., Chen G., Extraction of Electrochemiluminescent Oxidized Carbon Quantum Dots from Activated Carbon, Chemistry of Materials, 22, 5895-5899, 2010.
22. Sun Y.-P., Zhou B., Lin Y., Wang W., Fernando K.A.S., Pathak P., Meziani M.J., Harruff B.A., Wang X., Wang H., Luo P.G., Yang H., Kose M.E., Chen B., Veca L.M., Xie S.-Y., Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence, Journal of the American Chemical Society, 128, 7756-7757, 2006.
23. Zhou J., Booker C., Li R., Zhou X., Sham T.-K., Sun X., Ding Z., An Electrochemical to Blue Luminescent Nanocrystals from Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs), Journal of the American Chemical Society, 129, 744-745, 2007.
24. Bourlinos B., Stassinopoulos A., Anglos D., Zboril R., Karakassides M., Giannelis E.P., Surface Functionalized Carbogenic Quantum Dots, Small, 4, 455-458, 2008.
25. Li H.T., He X.D., Liu Y., Huang H., Lian S.Y., Lee S.-T., Kang Z.H., One-Step Ultrasonic Synthesis of Water-Soluble Carbon Nanoparticles with Excellent Photoluminescent Properties, Carbon, 49, 605-609, 2010.
26. Liu R., Wu D., Liu S., Koynov K., Knoll W., Li Q., An Aqueous Route to Multicolor Photoluminescent Carbon Dots Using Silica Spheres as Carriers, Angewandte Chemie International Edition, 121, 4668-4671, 2009.
27. Peng H., Travas-Sejdic J., Simple Aqueous Solution Route to Luminescent Carbogenic Dots from Carbohydrates, Chemistry of Materials, 21, 5563-5565, 2009.
28. Chowdhury D., Gogoi N., Majumdar G., Fluorescent Carbon Dots Obtained from Chitosan Gel, RSC Advances, 2, 12156-12159, 2012.
29. Liu R., Zhang J., Gao M., Li Z., Chen J., Wu D., Liu P., A Facile Microwavehydrothermal Approach towards Highly Photoluminescent Carbon Dots from Goose Feathers, RSC Advances, 5, 4428-4433, 2015.
30. Mehta V.N., Jha S., Kailasa S.K., One-Pot Green Synthesis of Carbon Dots by Using Saccharum Officinarum Juice for Fluorescent Imaging of Bacteria (Escherichia Coli) and Yeast (Saccharomyces Cerevisiae) Cells, Materials Science and Engineering C, 38, 20-27, 2014.
31. Sahu S., Behera B., Maiti T.K., Mohapatra S., Simple One-Step Synthesis of Highly Luminescent Carbon Dots from Orange Juice: Application as Excellent Bioimaging Agents, Chemical Communications, 48, 8835-8837, 2012.
32. Wang J., Wang C.-F., Chen S., Amphiphilic Egg-Derived Carbon Dots: Rapid Plasma Fabrication, Pyrolysis Process, and Multicolor Printing Patterns, Angewandte Chemie International Edition, 51, 9297-9301, 2012.
33. Yang Y.H., Cui J.H., Zheng M.T., Hu C.F., Tan S.Z., Xiao Y., Yang, Q., Liu, Y.L., One-Step Synthesis of Amino-Functionalized Fluorescent Carbon Nanoparticles by Hydrothermal Carbonization of Chitosan, Chemical Communications, 48, 380-382, 2012.
34. Zhou J.J., Sheng Z.H., Han H.Y., Zou M.Q., Li C., Facile Synthesis of Fluorescent Carbon Dots Using Watermelon Peels as A Carbon Source, Materials Letters, 66, 222-224, 2012.
35. Bi R., Zhang Q., Zhang R., Su Y., Jiang, Z., Thin Film Nanocomposite Membranes Incorporated with Graphene Quantum Dots for High Flux and Antifouling Property, Journal of Membrane Science, 553, 17-24, 2018.
36. Jafari A., Kebria M.R.S., Rahimpour A., Bakeri, G., Graphene Quantum Dots Modified Polyvinylidenefluride (PVDF) Nanofibrous Membranes with Enhanced Performance for Air Gap Membrane Distillation, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 126, 222-231, 2018.
37. Zhang C., Wei K., Zhang W., Bai Y., Sun Y., Gu J., Graphene Oxide Quantum Dots Incorporated into a Thin Film Nanocomposite Membrane with High Flux and Antifouling Properties for Low-Pressure Nanofiltration, ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 11082-11094, 2017.
38. Zhao D.L., Das S., Chung T.S., Carbon Quantum Dots Grafted Antifouling Membranes for Osmotic Power Generation via Pressure-Retarded Osmosis Process, Environmental Science & Technology, 51, 14016-14023, 2017.
39. Fathizadeh M., Tien H.N., Khivantsev K., Song Z., Zhou F., Yu M., Polyamide/Nitrogen-Doped Graphene Oxide Quantum Dots (N-GOQD) Thin Film Nanocomposite Reverse Osmosis Membranes for High Flux Desalination, Desalination, 451, 125-132, 2017.
40. Yuan Z., Wu X., Jiang Y., Li Y., Huang J., Hao L., Zhang J., Carbon Dotsincorporated Composite Membrane towards Enhanced Organic Solvent Nanofiltration Performance, Journal of Membrane Science, 549, 1-11, 2018.
41. Gai W., Zhao D.L., Chung T.S., Novel Thin Film Composite Hollow Fiber Membranes Incorporated with Carbon Quantum Dots for Osmotic Power Generation, Journal of Membrane Science, 551, 94-102, 2018.
42. He Y., Zhao D.L., Chung T.S., Na+ Functionalized Carbon Quantum Dots Incorporated Thin-Film Nanocomposite Membranes for Selenium and Arsenic Removal, Journal of Membrane Science, 564, 483-491, 2018.
43. Song X., Zhou Q., Zhang T., Xu H., Wang Z., Pressure-Assisted Preparation of Graphene Oxide Quantum Dot-Incorporated Reverse Osmosis Membranes: Antifouling and Chlorine Resistance Potentials, Journal of Materials Chemistry A, 4, 16896-16905, 2016.
44. Ostuni E., Chapman R.G., Holmlin R.E., Takayama S., Whitesides G.M., A Survey of Structure-Property Relationships of Surfaces That Resist the Adsorption of Protein, Langmuir, 17, 5605-5620, 2001.
45. Jiang L.Y., Chung T.S., Cao C., Huang A., Kulprathipanja S., Fundamental Understanding of Nano-Sized Zeolite Distribution in the Formation of The Mixed Matrix Single- and Dual-Layer Asymmetric Hollow Fiber Membranes, Journal of Membrane Science, 252, 89-100, 2005.
46. Safaei B., Youssefi M., Rezaei B., Irannejad N., Synthesis and Properties of Photoluminescent Carbon Quantum Dot/Polyacrylonitrile Composite Nanofibers, Smart Science, 6, 117-124, 2017.
47. Colburn A., Wanninayake N., Kim D.Y., Bhattacharyya D., Cellulose-Graphene Quantum Dot Composite Membranes Using Ionic Liquid, Journal of Membrane Science, 556, 293-302, 2018.
48. Zeng Z., Yu D., He Z., Liu J., Xiao F.X., Zhang Y., Wang R., Bhattacharyya D., Tan T.T.Y., Graphene Oxide Quantum Dots Covalently Functionalized PVDF Membrane with Significantly-Enhanced Bactericidal and Antibiofouling Performances, Scientific Reports, 6, 20142-20152, 2016.
49. Chen F., Gao W., Qiu X., Zhang H., Liu L., Liao P., Fu W., Luo Y., Graphene Quantum Dots in Biomedical Applications: Recent Advances and Future Challenges, Frontiers in Laboratory Medicine, 1, 192-199, 2017.
50. Hui L., Huang J., Chen G., Zhu Y., Yang L., Antibacterial Property of Graphene Quantum Dots (Both Source Material and Bacterial Shape Matter), ACS Applied, 8, 20-25, 2016.
51. Zhou J., Wang J., Hou J., Zhang Y., Liu J., Bruggen Van der B., Graphenebased Antimicrobial Polymeric Membranes: A Review, Journal of Materials Chemistry A, 5, 6776-6793, 2017.
مروری بر کاربرد نقاط کوانتومی کربن (CQDs) در فناوریهای غشایی: مروری
ترجمه: فرزاد مهرجو11
1 گروه محیطزیست، دانشکده منابع طبیعی و محیطزیست، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.
چکیده
نقاط کوانتومی کربن (Carbon Quantum Dots)، که نیک کلاسوع جذابی از کربن‌های نانوساختار هستند، اخیراً توجه گسترده‌ای را در زمینه فناوریهای غشایی برای کاربردهایشان در فرآیندفرایندهای جداسازی به خود جلب کردهاند. این به این دلیلبه این دلیل است که آنها دو مزیت منحصر به فرد دارند. تولید آنها آسان و ارزان است، در حالی که خواص فیزیکوشیمیایی آنها مانند اندازههای بسیار کوچک، زیستسازگاری خوب، بیاثری شیمیایی بالا، آبدوستی قابل تنظیم، غنی از گروههای عملکردی سطحی و ویژگیهای ضدرسوب بسیار مطلوب هستند. محققان با استفاده از این موارد، کاربرد آنها را در طرح‌های مختلف غشاء برای اسمز معکوس (Reverse Osmosis)، اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration)، نانوفیلتراسیون (Nonofiltration)، اسمز مستقیم (Forward Osmosis)، اسمز عقب مانده فشاری (Pressure Retarded Osmosis)، تقطیر غشایی (Membrane Distillation) و فرآیندفرایندهای نانوفیلتراسیون حلال آلی (Organic Solvent Nanofiltration) مورد بررسی قرار دادند. به طور خاص، CQDs به ویژه اکتشاف در زمینه تصفیه آب توسط فناوریهای غشایی را تحریک کردهاند، زیرا زیستسازگاری مواد غشایی برای اطمینان از ایمنی آب آشامیدنی از اهمیت بالایی برخوردار است. علاوه بر این، CQDs در موقعیت مطلوبی برای دستیابی به عملکرد بیسابقه فرآیندفرایندهای جداسازی غشایی در تصفیه آب، با توجه به افزایش کارایی قابل توجه و تمایل ضدرسوب، همانطور که در تحقیقهای اخیر کشف شده است، قرار دارند. در این مقاله، پیشرفت در توسعه غشاهای CQDs گنجانده شده را با بحث در موردو چالشها و دیدگاههای آنها موجود بررسی شده است.
واژههای کلیدی: نقاط کوانتومی کربن، نقاط کوانتومی گرافن اکسید، جداسازی غشایی، ضدرسوب
1 مقدمه
نقاط کوانتومی کربنی (CQDs)، که به عنوان نقاط کوانتومی گرافن/گرافن اکسید (Graphene Oxide Quantum Dots) و نقاط کربنی نیز شناخته میشوند، یک کلاسنوع نوظهوری از نانومواد کربنی با خواص منحصر به فرد مختلف هستند. همانطور که در شکل 1 (الف) نشان داده شده است، آنها معمولاً نانوذرات شبهکروی با هستههای بیشکل تا نانوبلوری هستند که قطرهایی در محدوده 3 الی 20 نانومتر دارند ]3-1[. آنها برای اولین بار در خلال خالصسازی نانولولههای کربنی تکجداره (Single-Walled Carbon Nanotubes) در سال 2004 یافت شدند ]4[. CQDs حاوی مقادیر قابل توجهی گروههای اپوکسی، هیدروکسیل و کربوکسیل در سطوح و صفحات پایه خود هستند و محتوای اکسیژن از 5 تا 50 درصد وزن بستگی به مسیر سنتز متغیر است ]3[. این گروهها روی سطح به اطمینان از حلالیت عالی در آب کمک میکنند و تواناییهای همه کاره را برای عملکردسازی بیشتر و غیرفعال شدن سطح فراهم میکنند. از زمان کشف CQDs در سال 2004، تعداد انتشارات مرتبط در مورد سنتز، خواص و کاربردهای آنها هر سال به طور تصاعدی افزایش یافته، همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است. به دلیل ماهیت خوشخیم، فراوان و ارزان و خواص نوری وابسته به اندازه، CQDs به عنوان مواد نانوکربنی جدید در زمینههای مختلف مانند سنجش شیمیایی، تصویربرداری زیستی/حسگر زیستی، فتوکاتالیست و الکتروکاتالیز شهرت فزایندهای پیدا کردهاند ]10-2،5[. به طور خاص، ویژگیهای نوری و فلورسانس آنها، کاربردهای آنها را در حسگر زیستی و تصویربرداری زیستی برای جایگزینی نقاط کوانتومی نیمه‌رسانای معمولی، که به دلیل استفاده از فلزات سنگین در طول تولیدشان دارای سمیت بالایی هستند، ممکن می‌سازد. یکی دیگر از کاربردهای جالب CQDs به عنوان تشخیص فلزات سنگین مانند Hg2+ با مشاهده تفاوت شدت فلورسانس CQDs در سنجش شیمیایی است ]11[. علاوهبر این، قابلیت‌های CQDs در برداشت نور با طول موج بلند و تبادل انرژی با گونه‌های محلول به آنها امکان عمل به عنوان فتوکاتالیست در سنتزهای آلی را میدهد ]12،13[.
شکل 1 (الف) ساختار شیمیایی CQDs و (ب) تعداد انتشارات مرتبط با CQDs از سال 2004 ]14[.
در مقایسه با نانوفیلرهای نانوپرکننده‌های کروی، لوله‌ای و ورقه‌ای، CQDs نوعی نانومواد صفر بعدی (0 D) در خانواده گرافن هستند. به عنواناز لحاظ ساختاری متشکل از چند لایه GO، CQDs در عین داشتن ویژگیهای منحصر به فرد خود، مطلوبترین ویژگیهای GO را به اشتراک میگذارند ]15[. متفاوت ازبرخلاف نانوصفحات GO انبوه، CQDs خواص الکترونیکی و نوری متمایز 0 D را به دلیل اثرات لبه بزرگ و محصور شدن کوانتومی از خود نشان میدهند که منجر به فعالیتهای شبه پراکسیداز بهتری نسبت به نانوصفحات GO میشود ]16[. علاوهبر این، طبق بر اساس یک مطالعه طولانی مدت درونتنی (In vivo) از تحقیقات قبلی، CQDs 0 D نیز سمیت سلولی کمتری نسبت به ورقههای GO با اندازه میکرومتر نشان دادند ]17[. در زمینه تحقیقات غشایی، تکه‌های GO در پلیمرها برای تشکیل غشاهای ماتریس مخلوط مختلف گنجانده شدهاند، اما به ندرت به شکل غشاهای نانوکامپوزیت لایه نازک (Thin Film Nanocomposite) از طریق پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی ]16[. این موضوع از این واقعیت ناشی میشود که ضخامت ورقههای GO معمولاً از نانومتر تا چند میکرومتر متغیر است. پیچیده کردن آنها در یک شبکه پلیمری و تشکیل یک لایه انتخابی بدون نقص دشوار است، زیرا لایههای نازک ساخته شده از پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی دارای ضخامت 2/0 الی 1 میکرومتر هستند. علاوهبر این، نمیتوان از تجمع GO به طور کامل جلوگیری کرد. بنابراین، عیوب مرزی غیرانتخابی به راحتی بین صفحات GO و پلیمر میزبان ایجاد میشود ]18[.
خواص مطلوب CQDs مانند اندازههای نانومقیاس، شیمی غنی و خواص ضدرسوب، پتانسیل توانایی آنها را برای ساخت مواد کامپوزیتی چند منظوره نشان میدهد. علاوهبر این، اندازه، شکل و شیمی سطحی خاص، آنها به آنها اجازه میدهد تا به خوبی در حلالهای قطبی (مانند آب، اتیلن گلیکول (Ethylene Glycol) و Nمتیل-2-پیرولیدون (Nmethyl-2-pyrrolidone)) و ماتریس‌های پلیمری پراکنده شوند، که ویژگیهای ضروری برای کاربردهای آنها در تشکیل و جداسازی غشاء هستند. بنابراین، ساخت غشاهای اصلاح شده با CQDs برای به حداکثر رساندن خواص غشاء با عملکرد قابل توجهی بهبود یافته به روشهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته‌اند. به غیر از اصلاح غشاء، CQDs همچنین در فرآیندفرایند اسمز مستقیم به عنوان املاح جذب به کار گرفته شدهاند و بالاترین شار آب گزارش شده را برای نمکزدایی آب دریا را به دست آوردهاند ]19[.
اگرچه در چند سال گذشته، پیشرفت‌ها در سنتز، خواص و کاربردهای CQDs در سایر زمینه‌ها به طور جامع بررسی شده است، اما پیشرفت آنها در فناوریهای غشایی هنوز بررسی نشده است. بنابراین، هدف از این مقاله (1) بررسی وضعیت غشاهای اصلاح‌شده با CQDs برای کاربردهای مختلف و (2) توضیح چالشها و آینده GQDs برای فناوریهای غشایی میباشداست.
2 سنتز CQDs
از زمان کشف CQDs در سال 2004، محققان بسیاری از مسیرهای ساده و کم هزینه برای سنتز CQDs با ساختار، اندازه و عملکرد دلخواه برای کاربردهای انتخابی ایجاد کردهاند. به طور کلی، رویکردهای سنتز برای CQDs را میتوان به دو دسته «بالا به پایین» و «پایین به بالا» طبقهبندی کرد ]2[. روش "«بالا به پایین" » شامل شکستن قطعات بزرگ‌تر ساختارهای کربنی مانند گرافیت، نانولولههای کربنی و کربن فعال با شیوههایی مانند فرسایش لیزری، اکسیداسیون اکسایش الکتروشیمیایی و تخلیه قوس میباشد است ]23-6،20[. اولین نمونه از CQDs فلورسنت زمانی پیدا شد که ژو و همکارانش در حال تصفیه SWCNTs تولید شده از فرآیندفرایند اکسیداسیون اکسایش بین دوده تخلیه شده با قوس و اسید نیتریک بودند ]4[.
با این وجود، سنتز CQDs از با روش "«بالا به پایین" » معمولاً به پیشسازهای پرهزینه، تنظیمات ابزار پیچیده و فرآیندفرایندهای پیچیده نیاز دارد. در مقابل، از طریق رویکردهای "«پایین به بالا"، »، محققان میتوانند CQDs را به صورت عمده از پیشسازهای ارزانتر و با مجموعههای آزمایشی رایجتر تولید کنند. روش "«پایین به بالا" » CQDs را از پیشسازهای مولکولی مانند سیترات، کربوهیدراتها و نانوکامپوزیتهای پلیمر-سیلیکا از طریق روشهایی مانند عملیات هیدروترمال/سولوترمال/ احتراق و تابش امواج مایکروویو تولید کردند ]27-24[. اخیراً تلاش‌های زیادی برای استفاده از مواد سبز به عنوان پیش‌سازها، مانند کیتوسان، پوست هندوانه، آب پرتقال/نیشکر، تخممرغ و پر غاز صورت گرفته است ]34-28[. قطعات CQDs سنتز شده را میتوان خالص کرد و اندازه کنترل شده‌ای را از طریق تصفیه، دیالیز، سانتریفیوژ، کروماتوگرافی سوانگاری ستونی و ژل الکتروفورز به دست آورد ]3[.
برای کاربردهای غشایی، اکثر محققان CQDs را از طریق پیرولیزگرماکافت اسید سیتریک توسط تصفیههای حرارتی، هیدروترمال، سولوترمال یا به کمک مایکروویو به دلیل هزینه کم مواد خام، سادگی، بازده بالا و توزیع اندازه ذرات باریک تولید کردهاند ]19[. درجه کربنی شدن، اندازه ذرات و گروههای عملکردی روی سطوح CQDs با دمای پیرولیزگرماکافت، مدت زمان و محیط اطراف (مانند هوای محیط، حلال و سایر مواد واکنش‌دهنده) به شدت متفاوت است. در بیشتر تحقیقهای مرتبط، CQDs با پیرولیزگرماکافت کردن مستقیم اسید سیتریک تهیه شدند ]38-35[. دما برای پیرولیزگرماکافت از 180 تا 200 درجه سانتیگراد متغیر بود، در حالی که مدت زمان کربن سازی از 15 دقیقه تا 3 ساعت متفاوت بود، که منجر به CQDs با قطر متوسط در محدوده 2 الی 11 نانومتر شد. شکل 2، تصاویر TEM معمولی از CQDs تهیه شده با این روش و توزیع اندازه ذرات آنها را نشان میدهد]37[. گروه ژنگ، CQDs را برای اصلاح غشاهای اولترافیلتراسیون (UF) از طریق روش "«بالا به پایین" » تولید کردند. کربن سیاه CX-72 آنها با رفلکس کردنتقطیر آن در محلول اسید نیتریک غلیظ (HNO3) به مدت 24 ساعت در دمای 110 درجه سانتیگراد از طریق اکسیداسیون اکسایش هیدروترمال عبور کرد. CQDs آماده شده دارای قطر متوسط 5/5 نانومتر بود.
شکل 2 تصاویر TEM از CQDs با پیرولیزگرماکافت اسید سیتریک در دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت و توزیع اندازه بر اساس 200 نانوذرات سنتز شدند ]37[.
عملکرد و غیر فعالسازی سطحی CQDs در طول آمادهسازی یا پس از تصفیه برای کاربردهای خاص مهم است. تجهیز با معرفی گروههای عاملی مختلف، مانند آمینها، میتواند خواص فلورسانس و فیزیکی CQDs را تنظیم کند. در مورد ساخت غشا، شیمی سطح CQDs به طور منطقی تنظیم میشود تا به پایداری و عملکرد بهتر غشا دست یابد. گروه فتحیزاده، CQDs را به گروههای آمین با کربن سازی کردن اسید سیتریک با آمونیاک از طریق تصفیه هیدروترمال در دمای 180 درجه سانتیگراد را به مدت 24 ساعت مجهز کردند ]39[. گروههای آمین پایانی به تشکیل پیوندهای شیمیایی بین ماتریس پلیآمید و CQDs کمک کردند، که منجر به پراکندگی پایدارتر CQDs در ماتریس پلیآمید شد. یوان و همکاران سنتز CQDs از طریق پیرولیزگرماکافت یک مرحلهای به کمک مایکروویو از طریق پسابش بین و درون مولکولی بین اسید سیتریک و اتیلن دیآمین (Ethylenediamine) را انجام دادند]40[. گروههای سطحی متناسب، ادغام CQDs را در ماتریس پلیاتیلن دیآمین را تسهیل کردند و غشاهای مرکب را برای انتقال حلال قطبی در سراسر غشاها تشکیل دادند. گای و هی، CQDs عامل دار Na+ را برای بهبود بیشتر آب دوستی CQDs سنتز کردند و در نتیجه باعث آبدوستی غشاء و انتقال آب برای تولید انرژی اسمزی از طریق اسمز عقب مانده فشاری (Pressure Retarded Osmosis) و حذف فلزات سنگین از طریق نانوفیلتراسیون (NF) شدند ]42-41[.
3 کاربردها و توسعه غشاء
برخلاف صفحات GO، CQDs را میتوان به راحتی با غشاهای پیشرفته (مانند غشاهای RO، NF و PRO) با بهرهگیری از اندازه کوچک و گروههای عملکردی سطح غنی که میتوانند پیوندهای شیمیایی با سایر ترکیبات ایجاد کنند، ادغام کرد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، میتوان به طور انتخابی فقط لایه انتخابی متراکم یا لایه زیرلایه و همچنین کل غشاها را توسط CQDs بسته به کاربرد مهندسی کرد. رویکرد اول (شکل 3 (الف)) دارای مزایای به حداقل رساندن استفاده/هزینه مواد و به حداکثر رساندن عملکرد غشاء است، زیرا فقط لایه انتخابی متراکم دارای CQDs است. رویکرد دوم (شکل 3 (ب)) به طور بالقوه میتواند محدودیتهای ذاتی بسترهای پلیمری مانند خواص مکانیکی ضعیف و آبگریزی ساخته شده از پلیمرهای معمولی مانند پلیسولفون (Polysulfone)، پلیاتر سولفون (Polyethersulfone)، پلیوینیلیدن (Polyvinylidene) و پلیاکریلونیتریل (Polyacrylonitrile) را کاهش دهد. بنابراین، CQDs کلاس جدیدی از نانوفیلرها نانوپرکننده‌ها برای اصلاح غشاها هستند.
شکل 3 سه روش برای ترکیب CQDs در غشاها: (الف) غشاهای نانوکامپوزیت لایه نازک (TFN)، (ب) غشاهای کامپوزیت CQD/پلیمر و (پ) غشاهایی با CQD در بالای زیرلایهها.
3-11-3 غشاهای نانوکامپوزیت لایه نازک (TFN)
در چند سال گذشته، بسیاری از گروههای تحقیقاتی اصلاح پوستههای انتخابی را با افزودن CQDs نشان دادهاند. به طور معمول، CQDs در فاز آبی پراکنده میشوند و متعاقباً در فرآیندفرایند پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی برای تشکیل غشاهای TFN شرکت میکنند. غشاهای TFN اصلاح شده با CQDs میتوانند حتی با افزودن اندکی CQDs در فاز آبی از غشاهای پیشین بهتر عمل کنند. غشاهای حاصل آبدوستی سطحی و نفوذپذیری بیشتر را با حفظ گزینشپذیری املاح، پایداری عالی و خواص ضدرسوب بهبود یافته نشان میدهند. حداکثر عملکرد غشاهای TFN را میتوان با عملکرد مناسب CQDs و بهینهسازی مقدار آنها بهبود بیشتری بخشید. چندین مطالعه نشان دادهاند که CQDs را میتوان با موفقیت در فرآیندفرایند پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی با مونومرها و بسترهای مختلف ترکیب کرد که منجر به بهبود شار از 50 درصد تا 8/6 برابر شده است. ژانگ و همکارانش غشاهای TFN شامل CQDs با قطر متوسط 5/3 نانومتر را در یک فیلملایه نازک اسید تانیک را با واکنش پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی روی یک بستر PAN برای فرآیندفرایندهای NF کم فشار ایجاد کردند ]37[. در طی پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی، گروههای هیدروکسیل CQDs و اسید تانیک با گروههای ایزوسیانات ایزوفورون دیایزوسیانات واکنش دادند تا یک پوست انتخابی تشکیل دهند. در مطالعه دیگری، CQDs با قطر متوسط 11 نانومتر در محلول آبی ام-فنیل دیآمین (M-phenylenediamine) پراکنده شدند و متعاقباً با واکنش پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی بین MPD و تری‌مسوئیل کلرید (Trimesoyl Chloride) بر روی بستر Psf برای برنامههای RO در لایه پلیآمید گنجانده شدند ]43[. بخشی از گروههای کربوکسیل روی CQDs ابتدا با گروههای آمین MPD در محلول آبی واکنش دادند و به دنبال آن برخی از گروههای کربوکسیل باقیمانده پیوندهای کووالانسی را از طریق واکنشهای تراکم با گروههای کربوکسیل انتهایی TMC در پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی تشکیل دادند. علاوهبر افزایش شار آب، بدون به خطر انداختنمحدود کردن دفع نمک، معرفی افزودن CQDs همچنین منجر به تولید غشاهایی با مقاومت کلر بیشتر شد. این به عملیات طولانی مدت کمک میکند، زیرا مشخص بود که محلولهای خوراک حاوی کلر میتوانند لایه پلیآمید را تخریب کرده و پسدهی غشاء را به مخاطره بیندازند. بی و همکاران در طول پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی پیپرازین (Piperazine) و TMC بر روی پشتیبانی PES برای فرآیندفرایندهای NF، CQDs را در لایه پلیآمید آمیخته کردند. گروههای آمینی پیپرازین و گروههای هیدروکسیل یا کربوکسیل CQDs با گروههای کلرید آسیل TMC در ناحیه فاز روغن/آب در طول پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی واکنش دادند و در نتیجه یک لایه پلیآمید فوق‌العاده نازک روی بستر متخلخل ایجاد شد.
خواص لایه انتخابی، مانند ضخامت، زبری و آبدوستی سطح پس از معرفی CQDs تغییر کرد. مشخص شد که CQDs ممکن است روند پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی را مختل کنند زیرا (1) اندازه CQDs از سایر مونومرها مانند اسید تانیک و MPD بزرگ‌تر بود و (2) غلظت آبی با افزودن CQDs افزایش یافت ]37[. در نتیجه، مانع فضایی ناشی از CQDs، سرعت انتشار مونومرها را کاهش داد و تشکیل سریع لایه انتخابی متراکم را در طول پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی به تاخیر تأخیر انداخت و منجر به سطح صاف‌تر شد.
علاوهبر این، افزودن CQDs در فاز آبی منجر به افزایش آبدوستی سطح میشود. CQDs معمولاً در محدوده وسیعی از pH به دلیل پروتون زدایی از گروههای کربوکسیل به کربوکسیلات دارای بار منفی، معمولاً در محدوده وسیعی از pH هستند. افزایش آبدوستی سطح میتواند شار نفوذی را بدون کاهش قابل توجهی در پسدهی افزایش دهد. به عنوان مثال، در مقایسه با غشاء TFC اسید تانیک پیشین برای فرآیندفرایند NF کم فشار زیر 2/0 مگاپاسکال، غشاهای CQDs TFN پسدهی بالایی نسبت به کنگو قرمز 8/99 درصد و متیلن آبی 6/97 درصد با شار آب خالص h-1 L m-2 33/23 حفظ کردند، که 5/1 برابر اصلاح نشده بود ]37[. در کار اخیر، غشایء TFN گنجانیده شده با CQDs شار آب 8/6 برابر غشای NF پلیآمید اصلاح نشده را زیر 2/0 مگاپاسکال نشان داد، در حالی که کنگو قرمز بالای 96 درصد نگه داشته شد ]35[. علاوهبر این، از آنجایی که CQDs کم کربنات میتوانند به طور موثر حلالهای قطبی را توسط گروههای آبدوست جذب کنند، افزودن CQDs نه تنها میتواند انتقال حلالهای غیر قطبی را سرکوب کند، بلکه انتخابپذیری غشا ء را در فرآیندفرایند نانوفیلتراسیون حلال آلی (OSN) افزایش داد ]40[.
به علاوه، بی و همکارانش دریافتند که CQDs دارای غشاهای TFN، شار آب ثابتی را نشان دادند که حدود 4 برابر غشای پلیآمیدی پیشین در شرایط رسوب‌زدگی سخت است ]35[. خواص ضدرسوب افزایش یافته با ترکیب CQDs در لایه انتخابی ممکن است از دو جنبه ناشی میشود. اولاً، بارهای منفی روی لایه انتخابی میتوانند دافعه‌های الکترواستاتیکی قوی بین رسوب‌کننده‌های دارای بار منفی (مانند آلبومین سرم گاوی و اسید هیومیک) و سطح لایه انتخابی ایجاد کنند. با این حال، نقش بارهای سطحی در آبهای واقعی پیچیده همچنان قابل بحث است بوده ]44[، و تحقیقات بیشتر ضروری است. دوماً، بهبود آبدوستی سطح و کاهش زبری سطح، برهم‌کنش‌های بین رسوب‌کننده‌ها و سطح غشاء را تضعیف میکند و در نتیجه جذب غیر اختصاصی را کاهش میدهد.
طبق کار سانگ و همکاران، غشاهای TFN اصلاح شده CQDs مقاومت بیشتری در برابر کلر نشان دادند. شویندههای کلر به طور گسترده در فرآیندفرایندهای عملی RO به عنوان ضدعفونی‌ک کننده و عوامل تمیز کننده غشا ء استفاده میشود. با این حال، پیوندهای هیدروژنی در ماتریس پلیآمید در برابر کلر فعال آسیبپذیر هستند که باعث تخریب جزئی لایه پلیآمید و از بین رفتن دفع نمک میشود. CQDs به دو روش ممکن به کند کردن این فرآیندفرایند کمک میکنند. اول، پیوندهای هیدروژنی بین CQDs و لایه پلیآمید، زنجیرههای پلیمری را فشردهتر کرده و از جایگزینی هیدروژنهای آمیدیک جلوگیری میکند. احتمال دیگر در حذف بار بین کربوکسیلات از CQDs غنی از الکترون و کلر فعال (Active Chlorine) نهفته است. این مانع از تماس OCl با سطح غشاء و همچنین انتشار OCl در ماتریس پلیآمید میشود. در یک آزمایش RO توسعه یافتهانجام‌شده ]43[، غشاهای TFN اصلاح شده با CQDs شار و پسدهی پایداری را نشان دادند که نشان‌دهنده دوام فوق‌العاده آنها است که در فرآیندفرایندهای نمکزدایی و احیای آب بسیار مورد نظر است.
32-2 3 غشاهای کامپوزیت CQD/پلیمر
همانطور که در شکل 3 (ب) نشان داده شده است، رویکرد دوم افزودن CQDs به مواد پلیمری برای تشکیل محلولهای همگن و ساخت غشاهای ماتریسکی مخلوط از طریق روشهای مختلف ریسندگی است. اندازه کوچک CQDs میتواند منجر به پراکندگی بهتر ذرات در محلول های دوپ و تشکیل غشاهایی با ساختار یکنواختتر بدون به خطر انداختن استحکام مکانیکی کلی شود. یکی از چالشهای این روش یافتن یک حلال مناسب برای CQDs و پلیمر است. چالش دیگر چگونگی کنترل توزیع CQDs در غشاها است ]45[. علاوهبر این، شسته شدن نانوذرات میتواند برای انواع غشاهای تعبیه شده در نانوذرات مشکل‌ساز باشد. بنابراین، دانشمندان باید (1) ابزارهای عملی برای تشکیل پیوند شیمیایی بین CQDs و ماتریس پلیمری را شناسایی کنند، و (2) از پایداری طولانی مدت CQDs در داخل غشاء اطمینان حاصل کنند. افزودن CQDs در دوپها ممکن است اثرات متفاوتی بر جریان و تغییر شکل ماده دوپ، تشکیل غشاء و مورفولوژی داشته باشد.
گروه جعفری غشاهای الکتروریسی شده CQDs/PVDF (Polyvinylidene Fluoride) را برای تقطیر غشایی شکاف هوا تهیه کردند. غشایء حاصل ساختار فشردهتر و سطح زبرتری پس از افزودن CQDs در مقایسه با غشای PVDF تمیز نشان داد ]45[. غشاهای نانوالیافی CQD/PVDF آماده شده، مطابق با مورفولوژی غشایء فشردهتر، مقاومت بیشتری نسبت به غشاهای PVDF تمیز در طول آزمایش 60 ساعته نشان دادند. صفایی و همکارانش CQDs را همراه با PAN در DMF با بارهای 25/1، 5/2 و 5 میلیگرم بر میلیلیتر پراکنده کردند و از طریق روش الکتروریسی، نانوالیاف کامپوزیتی CQDs/PAN را ساختند ]46[. افزایش ویسکوزیته گرانروی دوپ پس از افزودن CQDs باعث افزایش قطر متوسط نانوالیاف کامپوزیت نسبت به الیاف تمیز شد. این نانوالیاف را میتوان به طور بالقوه در نواحی مانند واکنشهای فتوشیمیایی و تصویربرداری زیستی به کار برد. تیم کولبرن از یک مایع یونی (1-اتیل-3- متیلیمیدازولیوم استات (1-ethyl-3- methylimidazolium acetate)) به عنوان حلال مشترک برای CQDs و سلولز برای ایجاد خواص غشایی یکنواخت استفاده کردند ]47[. CQDs از طریق شبکههای پیوند هیدروژنی به محدوده سلولز متصل میشوند و یک غشای مرکب پایدار تشکیل میشود. وجود CQDs روی سطح نیز میتواند غشاء را دارای بار منفی و آبدوستتر کند. علاوه بر این، CQDs میتوانند به عنوان تشکیل دهنده منافذ عمل کنند که توسط تصاویر FESEM از سطح مقطع غشاها نشان داده شده است، و غشاهایی را با نفوذپذیری بالاتر نشان میدهند.
3-3 غشاهایی با CQD در بالای زیرلایهها
روش دیگر پوشاندن CQDs در بالای سطح غشاء با کمک عوامل پوشش دهنده مختلف مانند پلیدوپامین (Polydopamine) و3-آمینوپروکسی تریمتوکسی سیلان ((3-aminopropy) trimethoxysilane است (شکل 3 (پ)). تثبیت CQDs از طریق پیوند کووالانسی بین گروههای حاوی اکسیژن روی CQDs و عوامل حاوی آمین روی سطح غشاء یک ، روشی امکانپذیر است. ژنگ و همکارانش CQDs را بر روی سطح غشاء PVDF از طریق سه مرحله ]48[ برای کاربردهای UF به کار بردند. آنها ابتدا سطح غشای PVDF را از طریق پیوند پلیاتیلن گلیکول (Polyethylene Glycol) ناشی از پلاسمای هلیوم هیدروکسیله کردند. غشای PVDF اصلاح شده با PEG سپس برای معرفی گروه های آمین با APTMS تصفیه شد. در نهایت، پیوندهای کووالانسی بین گروههای کربوکسیلیک روی CQDs و گروههای آمین روی سطح PVDF تشکیل شد. ژائو و همکاران CQDs سنتز شده متشکل از گروههای کربوکسیل به طوری که بخشی از این گروهها میتوانند با _NH2 از بستر PES پوشش داده شده با پلیدوپامین با مقاومت ضدرسوب افزایش یافته واکنش دهند ]37[. با توجه به خاصیت فلورسانس CQDs و مقدار بارگذاری بیشتر CQDs روی سطح غشاء، وجود CQDs را میتوان در زیر میکروسکوپ فلورسانس با تحریک نور UV مشاهده کرد (شکل 4). منشأ خواص فلورسانس بحث برانگیز باقی ماند و چندین مکانیسم سازوکار ممکن مانند اثر کوانتومی، نقص‌ها و حالت سطحی، غیرفعال‌سازی سطح و دامنه‌های p مزدوج مطرح شد. با این وجود، میتوان این ویژگی جذاب CQDs را برای مشخص کردن فعل و انفعالات بین رسوبات و مواد غشایی، راندمان بازده شستشوی معکوس و همچنین حسگرها برای نظارت بر کیفیت و ترکیبات آب بررسی کرد.
شکل 4 میکروسکوپ فلورسانس سطوح زیرلایه غشاهای PES-PDA و PES-PDA-CQD تحت تحریک نور UV به عنوان تابعی از غلظت CQD (1/0، 1، 5، 10 و 25 میلیگرم بر میلیلیتر) در محلولهای پوششی]37[.
در این موارد، از آنجایی که بارگذاری CQD روی سطح غشاء قابل توجه است، یکی دیگر از ویژگیهای مطلوب CQDs یعنی خاصیت ضدرسوب زیستی، به ویژه از نظر ممانعت از تشکیل بیوفیلم لایه زیستی تأثیر می گذارد. اگرچه بررسی سیستماتیک خاصیت ضد باکتریایی آنها هنوز وجود ندارد ]50-49[، محققان در زمینه غشاء خاصیت ضدرسوب زیستی برتر CQDs را به سه جنبه نسبت دادهاند. اولاً، باکتریها معمولاً به دلیل وجود پپتیدوگلیکان در دیواره سلولی، بار منفی کلی روی سطح سلول دارند. از آنجایی که سطح CQD دارای گروههای کربوکسیل با بار منفی است، یک دافعه الکترواستاتیکی بین سطح غشاء و سطح باکتری وجود دارد ]37،51[. علاوهبر این، اگرچه بخشی از باکتریها هنوز میتوانند به سطح غشاء نزدیک شوند، CQDs بسیار پراکنده با اندازه بسیار کوچک و سطح ویژه بزرگ ممکن است مستقیماً سلولهای باکتری را وارد یا برش دهند ]48[. علاوهبر این، تنش اکسیداتیو یکی دیگر از دلایل مرگ سلولهای باکتریایی است. بارگذاری همگن و زیاد CQDs بر روی سطح غشاء، نسبت به صفحات GO با ابعاد جانبی، قرار گرفتن در معرض بخش بزرگ‌تری از لبههای فعال را تسهیل میکند و منجر به تنش اکسیداتیو بالاتر میشود. این فرضیه با اکسایشیداسیون گلوتاتیون (Glutathione) در آزمایشهای آزمایشگاهی ثابت شده است، زیرا GSH یک مولکول تری پپتیدی با گروههای تیول است که از اجزای سلولی در برابر تنش اکسیداتیو محافظت میکند. نتایج نشان داد که غشای CQD/PVDF (3/63 درصد از GSH اکسید شده) دارای تنش اکسیداتیو تقریباً 3 برابر بیشتر از غشای GO-PVDF (1/22 درصد از GSH اکسید شده) است ]48[. متعاقباً، اجزای حیاتی سلولی ممکن است توسط CQDs اکسید یا مختل شوند. به ویژه قابل توجه است که مکانیسم‌های سازوکارهای ضدعفونی فعال با CQDs نسبت به باکتریها غیرانتخابی هستند، بنابراین فرصت‌هایی را برای توسعه فناوریهای غشایی باکتری‌کشنده مبتنی بر CQDs و غیر اختصاصی فراهم میکنند. با این وجود، تحقیقهای بنیادی بیشتری در مورد فعالیت باکتری غشاهای عاملدار CQDs، مانند سهم دقیق دافعه الکترواستاتیک، تنش فیزیکی یا اکسیداتیو و سایر مسیرهای ممکن مورد نیاز است.
با این حال، باید در نظر داشت که برای حل مشکل رسوب ناشی از میکروارگانیسم‌هاریزاندام‌واره‌ها، نمی‌توانیم صرفاً به افزایش خواص ضدرسوب زیستی غشاها وابسته باشیم. برای جلوگیری از رسوب گیری سریع غشاء، معمولاً تصفیه آب تغذیه اولیه ضروری است. بسیاری از باکتریها را میتوان در طول فرآیندفرایند پیشتصفیه حذف کرد در حالی که باقیمانده آنها باعث رشد بیوفیلم لایه زیستی روی غشاء میشود. عملکرد غشای ضدرسوب حذف کامل باکتریها نیست؛ بلکه کند کردن این فرآیندفرایند است. هنگامی که لایه زیستیبیوفیلم تشکیل میشود و عملکرد غشاء به طور قابل توجهی به خطر میافتد، شستشوی غشاء با روشهای شیمیایی یا فیزیکی باید انجام شود. با این حال، غشایی با تمایل کمتری به رسوب گیری نیاز به شستشوی غشایی کمتری دارد و بنابراین در هزینههای عملیاتی و نگه‌داری میتوان صرفهجویی کرد.
علاوه بر کاربرد در اصلاح غشاء، نانوذرات کربن مشتق شده از CQD میتوانند به عنوان املاح کششی در فرآیندفرایندهای FO نیز عمل کنند ]19[. ویژگیهای منحصر به فرد CQDs عاملدار Na+ (Na_CQDs)، از جمله سطح بزرگ، گروههای کربوکسیل فراوان و گونه‌های یونی غنی، فشار اسمزی بالا و در نتیجه شار آب FO را مورد حمایت قرار میدهند. در آزمایش‌هایات FO با آب خالص به عنوان محلول خوراک، Na_CQDs (0.4 g mL-1) شار آب 8/29 LMH را نشان داد که 55 درصد از محلول کشش NaCl 2.0 M بیشتر بود. هنگامی که از آب دریا به عنوان محلول خوراک استفاده شد، Na_CQDs شار آب FO برابر با 4/10 LMH را با افت جزئی پس از 5 سیکل چرخه فراهم میکنند. علاوهبر این، Na_CQDs یک شار معکوس ناچیزی از املاح کشش را نشان داد.
4 چشم انداز و کار آینده
در سه سال گذشته، تحقیقات پیشرو در مورد غشاهای گنجانده شده CQDs برای کاربردهای مختلف، مانند استفاده مجدد و احیای آب، نمکزدایی آب دریا، استفاده مجدد از حلالهای آلی و تولید انرژی پاک آغاز شده است. با این حال، هنوز چالشهای زیادی در پیش است. چالشهای اصلی عبارتند از (1) درک اساسی و دستکاری عملکرد CQDs و (2) طراحی و سنتز منطقی CQDs با روشهای پیش سازهای کم هزینه با بازده بالا و عملکردهای مختلف برای کاربردهای مختلف. تجاری سازی غشاهای گنجانده شده CQDs برای استفاده مجدد از آب و نمکزدایی آب دریا برای پیش بینی خیلی زود است. به منظور به حداکثر رساندن عملکرد CQDs، باید علم و مهندسی در مورد نحوه دستکاری توزیع CQDs در غشاها در طول فرآیندفرایندهای وارونگی فاز، ریخته‌گری غشاء و چرخش را درک کرد. تحقیقات اساسی در مورد مکانیسم‌های سازوکارهای اساسی CQDs بر عملکرد غشاء در فرآیندفرایندهای جداسازی مختلف باید بررسی شود. برای مثال، اثرات افزودن CQDs بر (1) وارونگی فاز و (2) پلیمریزاسیون پلیمری‌شدن سطحی باید از جنبه‌های ترمودینامیک و جنبشی به منظور پیش‌بینی عملکرد غشاء درک شود. همچنین بررسی سیستمیک برخی از عملکردهای منحصر به فرد غشاهای اصلاح شده با CQDs، مانند نحوه مهار تشکیل لایه زیستی بیوفیلم ضروری است. سمیت احتمالی آنها نسبت به میکروارگانیسم‌ها ریزاندام‌واره‌ها و اثرات فیزیولوژیکی مربوطه باید قبل از تجاری سازی به طور عمیق ارزیابی شود. در حال حاضر، ویژگیهای CQDs با همین نام به دلیل ناهمگونی در اندازه، شکل و ویژگی سطح، در ادبیات به طور قابل‌توجهی متفاوت است. جامعه علمی باید متحد شود و آنها را برای مقایسه آسان کند. علاوهبر این، به دلیل عملکردهای متعدد آنها، اکتشاف CQDs در سایر فرآیندفرایندهای جداسازی مبتنی بر غشاء مانند جداسازی گاز و موارد دیگر باید تشویق شود.
در نهایت، اگرچه ماهیت کربن دار CQDs به آنها سازگاری با محیطزیست میبخشد، استفاده از CQDs به ویژه در فناوری های تصفیه آب همچنان احتمالاً خطر قرار گرفتن در معرض CQDs را از طریق کانالهای شغلی، محیطزیستی و آب آشامیدنی افزایش میدهد. بنابراین، تحقیقات آینده باید شامل استراتژیهایی محدود به انتشار CQDs و همچنین نظارت بر شستشوی CQDs در آب آشامیدنی باشد. با توجه به اندازه بسیار کوچک آنها، نیاز فوری کاربرد آنها بر روی غشاها از طریق پیوند شیمیایی آسان و کاربردی برای جلوگیری از آبشویی CQDs و تخریب عملکرد غشاء وجود دارد.
5 نتیجهگیری
در این تحقیق، پیشرفتهای اخیر در زمینه غشاهای اصلاح شده با CQDs، به ویژه برای فرآیندفرایندهای جداسازی مرتبط با آب را خلاصه شد. ظهور تحقیقات CQDs فصل جدیدی را در فناوریهای غشایی نوید داده است. اگرچه اکثر غشاهای اصلاح شده با CQDs هنوز در مرحله تحقیق هستند، کاربردهای آنها برای استفاده مجدد از آب مدرن و نمکزدایی آب دریا به دلیل هزینه نسبتاً کم و مزایای منحصر به فرد قابل پیش بینی است. علاوهبر این، ادغام CQDs در غشاهای فعلی به دلیل اندازه نانو و عملکرد غنی آنها آسانتر است. علی‌رغم باوجود پیشرفتهای اخیر، تحقیقهای بنیادی‌تر و مطالعات عمیق‌تر در مورد تشکیل غشاء، مکانیسم سازوکار ضدرسوب، رشد بیوفیلم لایه زیستی و سمیت آنها برای پیشرفت بهتر علم و استقرار صنعتی مورد نیاز است.
مراجع
1. Baker S.N., Baker G.A., Luminescent Carbon Nanodots: Emergent Nanolights, Angewandte Chemie International Edition, 49, 6726-6744, 2010.
2. Lim S.Y., Shen W., Gao Z., Carbon Quantum Dots and Their Applications, Chemical Society Reviews, 44, 362-381, 2015.
3. Wang Y., Hu A., Carbon Quantum Dots: Synthesis, Properties and Applications, Journal of Materials Chemistry C, 2, 6921-6939, 2014.
4. Xu X., Ray R., Gu Y., Ploehn H.J., Gearheart L., Raker K., Scrivens W.A., Electrophoretic Analysis and Purification of Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotube Fragments, Journal of the American Chemical Society, 126, 12736-12737, 2004.
5. Hutton G.A.M., Martindale B.C.M., Reisner E., Carbon Dots as Photosensitisers for Solar-Driven Catalysis, Chemical Society Reviews, 46, 6111-6123, 2017.
6. Li H., Kang Z., Liu Y., Lee S.-T., Carbon Nanodots: Synthesis, Properties and Applications, Journal of Materials Chemistry, 22, 24230-24253, 2012.
7. Li X., Rui M., Song J., Shen Z., Zeng H., Carbon and Graphene Quantum Dots fFor Optoelectronic and Energy Devices: A Review, Advanced Functional Materials, 25, 4929-4947, 2015.
8. Shen J., Zhu Y., Yang X., Li C., Graphene Quantum Dots: Emerging Nanolights for Bioimaging, Sensors, and Catalysis and Photovoltaic Devices, Chemical Communications, 48, 3686-3699, 2012.
9. Wang R., Lu K.-Q., Tang Z.-R., Xu Y.-J., Recent Progress in Carbon Quantum Dots: Synthesis, Properties and Applications in Photocatalysis, Journal of Materials Chemistry A, 5, 3717-3734, 2017.
10. Wu X., Tian F., Wang W., Chen J., Wu M., Zhao J.X., Fabrication of Highly Fluorescent Graphene Quantum Dots Using L-Glutamic Acid for in Vitro/in Vivo Imaging and Sensing, Journal of Materials Chemistry C, 1, 4676-4684, 2013.
11. Zhang Y., He Y.H., Cui P.P., Feng X.T., Chen L., Yang Y.Z., Liu X.G., Watersoluble, Nitrogen-Doped Fluorescent Carbon Dots fFor Highly Sensitive and Selective Detection of Hg2+ in Aqueous Solution, RSC Advances, 5, 40393-40401, 2015.
12. Hu S., Tian R., Dong Y., Yang J., Liu J., Chang Q., Modulation and Effects of Surface Groups on Photoluminescence and Photocatalytic Activity of Carbon Dots, Nanoscale, 5, 11665-11671, 2013.
13. Li H., Liu R., Lian S., Liu Y., Huang H., Kang Z., Near-Infrared Light Controlled Photocatalytic Activity of Carbon Quantum Dots for Highly Selective Oxidation Reaction, Nanoscale, 5, 3289-3297, 2013.
14. Demchenko P., Dekaliuk M.O., Novel Fluorescent Carbonic Nanomaterials for Sensing and Imaging, Methods and Applications in Fluorescence, 1, 042001, 2013.
15. Zhang Y., Chung T.S., Graphene Oxide Membranes for Nanofiltration, Current opinion in chemical engineering, 16, 9-15, 2017.
16. Zheng A.-X., Cong Z.-X., Wang J.-R., Li J., Yang H.-H., Chen G.-N., Highlyefficient Peroxidase-Like Catalytic Activity of Graphene Dots for Biosensing, Biosensors and Bioelectronics, 49, 519-524, 2013.
17. Nurunnabi M., Khatun Z., Huh K.M., Park S.Y., Lee D.Y., Cho K.J., Lee Y.-K., In Vivo Biodistribution and Toxicology of Carboxylated Graphene Quantum Dots, ACS Nano., 7, 6858-6867, 2013.
18. Jiang Y., Biswas P., and Fortner J.D., A Review of Recent Developments in Graphene-Enabled Membranes for Water Treatment, Environmental Science: Water Research & Technology journal, 2, 915-922, 2016.
19. Guo C.X., Zhao D., Zhao Q., Wang P., Lu X., Na+-Functionalized Carbon Quantum Dots: A New Draw Solute in Forward Osmosis for Seawater Desalination, Chemical Communications, 50, 7318-7321, 2014.
20. Lin L., Zhang S., Creating High Yield Water Soluble Luminescent Graphene Quantum Dots via Exfoliating and Disintegrating Carbon Nanotubes and Graphite Flakes, Chemical Communications, 48, 10177-10179, 2012.
21. Dong Y., Zhou N., Lin X., Lin J., Chi Y., Chen G., Extraction of Electrochemiluminescent Oxidized Carbon Quantum Dots from Activated Carbon, Chemistry of Materials, 22, 5895-5899, 2010.
22. Sun Y.-P., Zhou B., Lin Y., Wang W., Fernando K.A.S., Pathak P., Meziani M.J., Harruff B.A., Wang X., Wang H., Luo P.G., Yang H., Kose M.E., Chen B., Veca L.M., Xie S.-Y., Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence, Journal of the American Chemical Society, 128, 7756-7757, 2006.
23. Zhou J., Booker C., Li R., Zhou X., Sham T.-K., Sun X., Ding Z., An Electrochemical to Blue Luminescent Nanocrystals from Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs), Journal of the American Chemical Society, 129, 744-745, 2007.
24. Bourlinos B., Stassinopoulos A., Anglos D., Zboril R., Karakassides M., Giannelis E.P., Surface Functionalized Carbogenic Quantum Dots, Small, 4, 455-458, 2008.
25. Li H.T., He X.D., Liu Y., Huang H., Lian S.Y., Lee S.-T., Kang Z.H., One-Step Ultrasonic Synthesis of Water-Soluble Carbon Nanoparticles with Excellent Photoluminescent Properties, Carbon, 49, 605-609, 2010.
26. Liu R., Wu D., Liu S., Koynov K., Knoll W., Li Q., An Aqueous Route to Multicolor Photoluminescent Carbon Dots Using Silica Spheres as Carriers, Angewandte Chemie International Edition, 121, 4668-4671, 2009.
27. Peng H., Travas-Sejdic J., Simple Aqueous Solution Route to Luminescent Carbogenic Dots from Carbohydrates, Chemistry of Materials, 21, 5563-5565, 2009.
28. Chowdhury D., Gogoi N., Majumdar G., Fluorescent Carbon Dots Obtained Ffrom Chitosan Gel, RSC Advances, 2, 12156-12159, 2012.
29. Liu R., Zhang J., Gao M., Li Z., Chen J., Wu D., Liu P., A Facile Microwavehydrothermal Approach towards Highly Photoluminescent Carbon Dots from Goose Feathers, RSC Advances, 5, 4428-4433, 2015.
30. Mehta V.N., Jha S., Kailasa S.K., One-Pot Green Synthesis of Carbon Dots by Using Saccharum Officinarum Juice for Fluorescent Imaging of Bacteria (Escherichia Coli) and Yeast (Saccharomyces Cerevisiae) Cells, Materials Science and Engineering C, 38, 20-27, 2014.
31. Sahu S., Behera B., Maiti T.K., Mohapatra S., Simple One-Step Synthesis of Highly Luminescent Carbon Dots from Orange Juice: Application as Excellent Bioimaging Agents, Chemical Communications, 48, 8835-8837, 2012.
32. Wang J., Wang C.-F., Chen S., Amphiphilic Egg-Derived Carbon Dots: Rapid Plasma Fabrication, Pyrolysis Process, and Multicolor Printing Patterns, Angewandte Chemie International Edition, 51, 9297-9301, 2012.
33. Yang Y.H., Cui J.H., Zheng M.T., Hu C.F., Tan S.Z., Xiao Y., Yang, Q., Liu, Y.L., One-Step Synthesis of Amino-Functionalized Fluorescent Carbon Nanoparticles by Hydrothermal Carbonization of Chitosan, Chemical Communications, 48, 380-382, 2012.
34. Zhou J.J., Sheng Z.H., Han H.Y., Zou M.Q., Li C., Facile Synthesis of Fluorescent Carbon Dots Using Watermelon Peels as A Carbon Source, Materials Letters, 66, 222-224, 2012.
35. Bi R., Zhang Q., Zhang R., Su Y., Jiang, Z., Thin Film Nanocomposite Membranes Incorporated with Graphene Quantum Dots for High Flux and Antifouling Property, Journal of Membrane Science, 553, 17-24, 2018.
36. Jafari A., Kebria M.R.S., Rahimpour A., Bakeri, G., Graphene Quantum Dots Modified Polyvinylidenefluride (PVDF) Nanofibrous Membranes with Enhanced Performance for Air Gap Membrane Distillation, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 126, 222-231, 2018.
37. Zhang C., Wei K., Zhang W., Bai Y., Sun Y., Gu J., Graphene Oxide Quantum Dots Incorporated iInto Aa Thin Film Nanocomposite Membrane with High Flux and Antifouling Properties for Low-Pressure Nanofiltration, ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 11082-11094, 2017.
38. Zhao D.L., Das S., Chung T.S., Carbon Quantum Dots Grafted Antifouling Membranes for Osmotic Power Generation via Pressure-Retarded Osmosis Process, Environmental Science & Technology, 51, 14016-14023, 2017.
39. Fathizadeh M., Tien H.N., Khivantsev K., Song Z., Zhou F., Yu M., Polyamide/Nitrogen-Doped Graphene Oxide Quantum Dots (N-GOQD) Thin Film Nanocomposite Reverse Osmosis Membranes for High Flux Desalination, Desalination, 451, 125-132, 2017.
40. Yuan Z., Wu X., Jiang Y., Li Y., Huang J., Hao L., Zhang J., Carbon Dotsincorporated Composite Membrane towards Enhanced Organic Solvent Nanofiltration Performance, Journal of Membrane ScienceJ. Membr. Sci, 549, 1-11, 2018.
41. Gai W., Zhao D.L., Chung T.S., Novel Thin Film Composite Hollow Fiber Membranes Incorporated with Carbon Quantum Dots for Osmotic Power Generation, Journal of Membrane Science, 551, 94-102, 2018.
42. He Y., Zhao D.L., Chung T.S., Na+ Functionalized Carbon Quantum Dots Incorporated Thin-Film Nanocomposite Membranes for Selenium and Arsenic Removal, Journal of Membrane Science, 564, 483-491, 2018.
43. Song X., Zhou Q., Zhang T., Xu H., Wang Z., Pressure-Assisted Preparation of Graphene Oxide Quantum Dot-Incorporated Reverse Osmosis Membranes: Antifouling and Chlorine Resistance Potentials, Journal of Materials Chemistry A, 4, 16896-16905, 2016.
44. Ostuni E., Chapman R.G., Holmlin R.E., Takayama S., Whitesides G.M., A Survey of Structure-Property Relationships of Surfaces That Resist the Adsorption of Protein, Langmuir, 17, 5605-5620, 2001.
45. Jiang L.Y., Chung T.S., Cao C., Huang A., Kulprathipanja S., Fundamental Understanding of Nano-Sized Zeolite Distribution in the Formation of The Mixed Matrix Single- and Dual-Layer Asymmetric Hollow Fiber Membranes, Journal of Membrane Science, 252, 89-100, 2005.
46. Safaei B., Youssefi M., Rezaei B., Irannejad N., Synthesis and Properties of Photoluminescent Carbon Quantum Dot/Polyacrylonitrile Composite Nanofibers, Smart Science, 6, 117-124, 2017.
47. Colburn A., Wanninayake N., Kim D.Y., Bhattacharyya D., Cellulose-Graphene Quantum Dot Composite Membranes Using Ionic Liquid, Journal of Membrane Science, 556, 293-302, 2018.
48. Zeng Z., Yu D., He Z., Liu J., Xiao F.X., Zhang Y., Wang R., Bhattacharyya D., Tan T.T.Y., Graphene Oxide Quantum Dots Covalently Functionalized PVDF Membrane with Significantly-Enhanced Bactericidal and Antibiofouling Performances, Scientific Reports, 6, 20142-20152, 2016.
49. Chen F., Gao W., Qiu X., Zhang H., Liu L., Liao P., Fu W., Luo Y., Graphene Quantum Dots in Biomedical Applications: Recent Advances and Future Challenges, Frontiers in Laboratory Medicine, 1, 192-199, 2017.
50. Hui L., Huang J., Chen G., Zhu Y., Yang L., Antibacterial Property of Graphene Quantum Dots (Both Source Material and Bacterial Shape Matter), ACS Applied, 8, 20-25, 2016.
51. Zhou J., Wang J., Hou J., Zhang Y., Liu J., Bruggen Van der B., Graphenebased Antimicrobial Polymeric Membranes: A Review, Journal of Materials Chemistry A, 5, 6776-6793, 2017.
[1] پست الکترونیکی مسئول مکاتبات:
Farzadmehrjo@gmail.com
