Enheden efterligner mangrovernes vandrensende kraft

Mangrovetræet overlever i sit subtropiske habitat ved effektivt at omdanne det salte vand i sit miljø til ferskvand - en ingeniørmæssig bedrift, der længe har forvirret videnskabsmænd.

Nu, et team af forskere i Yale-ingeniørprofessor Menachem Elimelechs laboratorium har udviklet en vandrensende enhed, der efterligner mangroven. Ud over at tilbyde en bedre forståelse af planters VVS-systemer, det kan føre til nye afsaltningsteknologier, sagde hans forskerhold. Resultaterne dukkede op 21. februar in Videnskabens fremskridt .

"Vi viser den mekanisme, der er blevet foreslået for, hvordan mangrover virker, " sagde medforfatter Jay Werber, en tidligere kandidatstuderende i kemi- og miljøteknik i Elimelechs laboratorium. "Vi er ikke biologer, men vi kommer til det her fra et ingeniørmæssigt perspektiv."

Elimelech er Yales Roberto C. Goizueta professor i kemi- og miljøteknik.

Enheden, som forskerne kalder en kunstig mangrove, kombinerer de afsaltende virkninger af mangrovens rod, den kapillære pumpning af bladene, og stilkens vandledende evne. Nøglen til dens succes er dens evne til at generere et højt niveau af negativt pres, svarende til, hvad du skaber, når du drikker gennem et sugerør. I den syntetiske mangrove, fordampning fra specialdesignede membraner - der fungerer som "blade" - skaber et stort undertryk, som driver afsaltning af saltvand gennem en semipermeabel membran "rod".

Træer har brug for undertryk - genereret, når vandet fordampes gennem bladene - for at optage nok vand. Mangrover, som kan findes i Florida og er særligt rigelige i sådanne lande som Indonesien, Brasilien, og Malaysia, udføre et dobbelt imponerende trick, forskere sagde:De er nødt til at producere større undertryk end det typiske træ for at drikke det salte vand i deres miljø. Plus, de afsalter dette vand med deres rødder, i en proces kaldet omvendt osmose.

Særligt imponerende, forskerne bemærker, er den måde, træer minimerer dannelsen af ​​luftbobler inde i deres system af vandrør, kendt som xylem. Vand har tendens til at danne bobler under højt undertryk, hvilket ville forstyrre strømmen af ​​vand i plantens xylem.

Medforfatter Yunkun Wang, en postdoc forsker, sagde, at forskernes enhed klarer en lignende bedrift ved at minimere dannelsen af ​​luftlommer, delvis på grund af en porøs silicastruktur kendt som en fritte, der er placeret i midten af ​​enheden.

Ud over at løse nogle mangeårige mysterier om træhydraulik, Werber sagde, forskernes arbejde kan potentielt føre til skabelsen af ​​små anordninger til adskillelse af løsninger. "Typisk, du har en dyr pumpe, der skaber et rigtig højt tryk for at adskille disse ting, " sagde han. "Med mangrove-apparatet, du kan bruge fordampningen til at drive det helt passivt."

Forskerne sagde, at enheden ville være særlig nyttig i situationer, hvor elektricitet ikke er let tilgængelig.

Ikke kun efterlignede forskernes enhed den naturlige proces, det genererede meget større undertryk end hvad mangrovetræet genererer og kunne afsalte vand med en saltkoncentration, der var næsten 10 gange så stor som havvand. Elimelek sagde, at dette betyder, at det kan føre til måder at afsalte meget saltvand på, såsom vandet produceret ved hydrofracking.

Mere umiddelbart, selvom, han sagde, at enheden giver et indblik i en proces, der længe har været uklar.

"Vi var bare nysgerrige efter, hvordan naturen gør nogle ting, og det er så fantastisk en ting, at vi var i stand til at beskrive det med fysik, " sagde Elimelek. "Vi viste, at træet følger fysiske principper, og at vi kan efterligne dem i en mikrofluidisk enhed."

Medforfatter Jongho Lee, en postdoc forsker, sagde, at enheden også har potentiale til at blive brugt til oversvømmelsesreduktion ved at inkorporere den i "svampebyer" - dvs. byområder designet til at absorbere og fange regnvand og hurtigt fjerne det. "Bygninger kunne designes til at fungere som mangrovetræer:Deres ydervægge ville fungere som blade, og fundamentet ville fungere som rødder, der filtrerede forurenende stoffer ud, " han sagde.