Forskere skaber omvendt osmose-membraner med justerbar tykkelse

I øjeblikket, mere end 300 millioner mennesker rundt om i verden er afhængige af afsaltet vand til en del eller hele deres daglige behov. Denne efterspørgsel vil kun vokse med større befolkninger og forbedrede levestandarder rundt om i verden.

Adgang til oceanerne for drikkevand, imidlertid, kræver afsaltningsteknologier, der er komplicerede og dyre. Den mest almindeligt anvendte teknologi til afsaltning er omvendt osmose (RO), en proces, hvor havvand presses gennem en membran, der er i stand til at fjerne salte og andre små molekyle forurenende stoffer. Mens brugen af ​​RO fortsætter med at stige rundt om i verden, mange af dens ulemper, som inkluderer et højt energiforbrug og en tilbøjelighed til at membraner kan begå fejl, fortsætter med at plage industrien.

I det aktuelle nummer af Videnskab , forskere ved University of Connecticut tilbyder en ny tilgang til membranproduktion, der får os til at gentænke, hvordan vi designer og bruger RO -membraner til afsaltning.

Ved at bruge en additiv fremstillingsmetode, der anvender elektrospraying, UConn-forskere var i stand til at skabe ultratynde, ultraglatte polyamidmembraner, der er mindre tilbøjelige til at besmitte og kan kræve mindre strøm til at flytte vand igennem dem.

"Dagens membraner til omvendt osmose er ikke lavet på en måde, der gør det muligt at kontrollere deres egenskaber, " siger Jeffrey McCutcheon, lektor i kemi- og biomolekylær teknik og papirets tilsvarende forfatter. "Vores tilgang bruger en 'additiv' teknik, der giver mulighed for kontrol af en membrans grundlæggende egenskaber såsom tykkelse og ruhed, hvilket i øjeblikket er umuligt ved brug af konventionelle metoder."

Konventionelle tilgange til fremstilling af RO-membraner har ikke ændret sig i næsten 40 år. Den traditionelle tilgang til fremstilling af disse membraner er kendt som grænsefladepolymerisation. Denne metode bygger på en selvterminerende reaktion mellem en amin i vandig fase og en syrechloridmonomer i organisk fase. De resulterende polyamidfilm - ekstremt tynde, meget selektiv, og gennemtrængelig for vand - blev guldstandardmembranen for RO. Imidlertid, efterhånden som feltet har udviklet sig, Behovet for bedre at kontrollere denne reaktion for at tillade membraner af varierende tykkelse og ruhed for at optimere vandstrømmen og reducere tilsmudsning er blevet mere presserende.

UConns metode giver et overlegent niveau af kontrol over tykkelsen og ruheden af ​​polyamidmembranen. Typiske polyamidmembraner har en tykkelse mellem 100 og 200 nanometer (nm), som ikke kan kontrolleres. UConns elektrospraymetode giver mulighed for kontrolleret skabelse af membraner så tynde som 15 nm og kapacitet til at kontrollere membrantykkelse i intervaller på 4 nm, et niveau af specificitet, der ikke er set før i dette område. Ligeledes, typiske RO-membraner har en ruhed på over 80 nm. UConn-forskere var i stand til at skabe membraner med ruhed så lav som 2nm. På trods af disse unikke egenskaber, membranen fortsatte med at udvise høj saltafvisning og var robust, når den blev drevet under tryk, der er typiske for RO.

"Vores udskrivningsmetode til fremstilling af polyamidmembraner har den ekstra fordel at være skalerbar, " siger McCutcheon. "Ligesom elektrospinning har set dramatiske forbedringer i rulle-til-rulle-behandling, elektrospraying kan skaleres med relativ lethed."

Forfatterne af undersøgelsen konkluderer også, at denne type fremstilling kan spare på kemikalieforbruget, da traditionelle kemiske bade ikke er nødvendige som en del af membranfremstillingsprocessen.

"I laboratoriet, vi bruger 95 % mindre kemiske volumenfremstillingsmembraner ved at printe sammenlignet med konventionel grænsefladepolymerisation, " siger McCutcheon, UConn School of Engineering's Al Geib professor i miljøteknisk forskning og uddannelse. "Disse fordele ville blive forstørret i storstilet membranfremstilling og gøre processen mere" grøn "end den har været i de sidste 40 år"

Denne innovative nye tilgang er ikke begrænset til afsaltning og kan føre til bedre membraner til andre separationsprocesser.

"Denne metode er ikke begrænset til at lave membraner til RO." siger McCutcheon, der udover sine akademiske opgaver også fungerer som administrerende direktør for Fraunhofer USA Center for Energy Innovation ved UConn, som er fokuseret på at udvikle nye anvendte membranteknologier. "Faktisk, vi håber, at denne metode vil gøre det muligt at overveje nye materialer til et utal af membranseparationsprocesser, måske i processer, hvor disse materialer ikke var, eller ikke kunne, bruges før."