Løsninger på vandudfordringer findes i grænsefladen

Som reaktion på stigende vandmangel, førende Argonne National Laboratory-forsker Seth Darling beskriver de mest avancerede forskningsinnovationer, der kunne adressere global tilgængelighed til rent vand. Hans omfattende papir fokuserer på at forstå og kontrollere grænsefladerne mellem materialer og vand.

Grænseflader bestemmer ydelsen af ​​teknologier som vandkvalitetssensorer, filtreringsmembraner og endda rør. Darlings egne laboratorier arbejder på adsorbenter for at fremme vandrensning. Han præsenterede sine resultater i denne uge i Journal of Applied Physics .

Adsorbenter

Adsorption er en af ​​de bedste mekanismer til rengøring af vand. I denne proces, kontaminanter klæber til overfladen af ​​porøse materialer for at maksimere overflade-til-volumen-forholdet.

Meget porøst aktivt kul er det mest udbredte, fordi det er rigeligt og billigt. Zeolitter kan fange hele molekyler i deres 3-D krystallinske burstrukturer, gør dem i stand til selektivt at binde bestemte forbindelser fra vandbaserede opløsninger. Polymerbaserede sorbenter har næsten ubegrænset fleksibilitet i deres design.

"Vi vil fortsat stole på [disse] gennemprøvede teknologier, "Darling sagde." Men der er også et presserende behov for sorbenter, der er mere effektive og energieffektive. "

Genanvendelighed

Genanvendelighed er en kritisk metrik for sorbentmaterialer, hvilket markant kan reducere omkostningerne og øge bæredygtigheden af ​​en behandlingsproces. Polymer skumsvampe er lovende kandidater til denne tilgang.

Darling leder en gruppe, der skabte Oleo Sponge, som kan opsuge 90 gange sin vægt i olie i hele vandsøjlen. For at oprette Oleo -svampen, forskerne implementerede en teknik kaldet sekventiel infiltrationssyntese (SIS). Ved hjælp af SIS, de voksede metaloxid inden i skumfibrene for at transformere almindeligt polyurethanskum, findes i sædehynder, i et olie adsorbent.

Oxidet fungerer som den "lim", som de olieelskende (oleofile) molekyler binder sig til. Genanvendelig olie ekstraheres fra svampen, så den kan bruges gentagne gange.

Målretning mod individuelle forurenende stoffer

Forskere designer også næste generations sorbenter, der har højere specificitet-mere bindende kraft til at målrette mod individuelle forurenende stoffer. Ideelt set forskere kunne skræddersy grænsefladeegenskaber til at adsorbere specifikke molekyler for at fange udfordrende vandforureninger som næringsstoffer og tungmetaller.

Forskere undersøger nu, hvordan man kan genbruge metal-organiske rammer (MOF'er), et materiale, der allerede bruges til gassorption, til dette formål. Relateret til zeolitter, MOF'er består af metalioner eller klynger bundet af organiske ligander. MOF'er har et højt overfladeareal, kontrollerbare strukturer og afstembare porer.

"Vi har en vandkrise, som er baseret på stigende befolkning, urbanisering og klimaforstyrrelser. Og der er uholdbar brug af vores vand, "Darling sagde." En del af problemet er at løse politiske løsninger, men vi har også brug for nye, mere energieffektive og omkostningseffektive teknologier. "