Forskerhold udvikler materiale til at adskille olie og vand til miljøsanering og spildevandsrensning

Det er en populær sætning, der bruges til at beskrive mennesker, ting, og ideer, der bare ikke blandes - "som olie og vand." Bortset fra at det ikke er helt rigtigt. Olie og vand kan blandes, og kan være meget svært at adskille helt, når de bringes sammen. Tænk på miljømæssigt olieudslip eller spildevandsrensning, og du indser hurtigt, at udskillelse af uønsket olie for at genoprette vand til en naturlig eller ren tilstand kan være en monumental opgave.

I et forskningspapir offentliggjort den 22. marts - den FN-udpegede World Water Day - beskriver ingeniører og fysikere fra Tufts, hvordan de udtænkte en billig membran, der er i stand til hurtigt at filtrere olie fra vand og olieblandinger, uden at membranen bliver tilsmudset.

Fremskridtet inden for materialevidenskab kan være en game changer i kampen mod forurening. Det er velkendt, at olieforurenet vand kan have langsigtede skadelige virkninger på dyrelivet og miljøet. Nuværende strategier til at afbøde denne skade inkluderer at brænde olien på plads eller bruge mekaniske enheder, såsom bomme, skimmere, eller absorberende materiale, for at hjælpe med at rydde op i rodet. I praksis er disse metoder dyre og ikke særlig effektive, især til oprydning af store olieudslip.

"Filtrering er en enkel, energieffektiv vandbehandlingsmetode, og kan være en effektiv måde at rydde op i disse olieudslip, " sagde Ayse Asatekin, en adjunkt ved Tufts School of Engineering og tilsvarende forfatter til undersøgelsen, offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Polymer Materials. "En separationsmembran er relativt billig og kan genbruges, og oprydningsteknologien dækker et lille fodaftryk. Gennem vores samarbejde, Vi udviklede et nyt filtermateriale, der kan klare adskillelsen og holde en høj strømningshastighed uden at blive forurenet af at akkumulere olie. "

Heldigvis, naturen giver nogle eksempler på materialer, der interagerer meget forskelligt med vand og olie. "Tag lotusbladet, for eksempel, "sagde Ilin Sadeghi, en ingeniørstuderende i Asatekins laboratorium og førsteforfatter til undersøgelsen. "Bladeoverfladen er hydrofob, hvilket betyder, at det holder vand så effektivt, at bladet aldrig bliver vådt - vand perler bare op på overfladen. Men det er også meget oleofilt - hvis vi placerer en organisk væske som olie på overfladen, det spreder sig hurtigt over bladet. Ved at modellere på naturen, vi kan konstruere overfladekemi og morfologi gøre vandafvisende, superoleofile filtermaterialer."

Lotusbladet opnår sin dobbelte adfærd med en kombination af en voksagtig overfladekemi og en nanostruktureret tekstur på overfladen. Den teksturerede overflade fanger luft i små lommer, gør det vanskeligt for vand at komme i kontakt med bladet på grund af vandets høje overfladespænding, danner dråber. At skabe en oliefiltrerende membran kunne bruge en lignende kombination af overfladekemi og tekstur til at adskille olie fra vand.

Sammen med professor Peggy Cebe og kandidatstuderende Nelaka Govinna i Tufts fysik- og astronomiafdeling, forskerholdet skabte et materiale, der kombinerede vandafvisende kemi og tekstur ved hjælp af en teknik kaldet elektrospinning.

Govinna, der fremstillede filtreringsmembranerne, forklarer elektrospinning som en teknik, der skaber en elektrisk ladet væskestrøm af polymer, der kommer ud af en meget smal nål. Når det flyder fra nålen, polymeren tørrer som en fin tråd og aflejres tilfældigt på måloverfladen, skabe en fiberdug, porøst væv af fibre.

Polymeren de brugte var en kemisk kæde omgivet af fluoratomer, som giver den vandafvisende egenskaber, mens den tilfældige vævning fanger luft som lotusbladet for at hjælpe med at minimere indtrængning af vand. Derimod olieagtige og organiske stoffer flyder over fluorpolymeren og gennem membranen.

"Vi skabte dette membranmateriale ved at blande en fælles polymermatrix, der bruges i filtre - polyvinylidenfluorid eller PVDF - med en funktionel polymer; vi kalder det PFDMA, " sagde Cebe. "Vi kan ændre adfærden af ​​filtermembranen ved at ændre den funktionelle polymer."

I dette tilfælde, typen af ​​funktionel polymer gav membranerne nogle ideelle egenskaber:olie og organiske kemikalier løber hurtigt gennem membranen, op til sytten gange hurtigere end PVDF-membranen uden additiv, mens vand holdes tilbage.

De oliefjernende PVDF-PFDMA membraner, som tillader olie og organiske opløsningsmidler at passere igennem, ikke tilsmudser som vandfjernende membraner har en tendens til at gøre, og kan derfor anvendes på lang sigt, applikationer i industriel skala. Brug af forskellige additive polymerer kan justere filterets egenskaber til forskellige applikationer, fra rensning af olieudslip til vandrensning.