3D-elektronmikroskopi afdækker de komplekse tarme i afsaltningsmembraner

Omhyggelig prøveforberedelse, elektron tomografi og kvantitativ analyse af 3D-modeller giver enestående indsigt i den indre struktur af omvendte osmosemembraner, der i vid udstrækning bruges til saltvand afsaltning af spildevand og hjemmebrug, ifølge et team af kemiske ingeniører.

Disse membraner med omvendt osmose er lag af materiale med et aktivt aromatisk polyamidlag, der tillader vandmolekyler gennem, men afskærmer 99 til 99,9 procent af saltet.

"Efterhånden som vandspændinger fortsætter med at vokse, bedre membranfiltreringsmaterialer er nødvendige for at forbedre vandgenvindingen, forhindre tilsmudsning, og forlænge filtreringsmodulets levetid og samtidig opretholde rimelige omkostninger for at sikre tilgængelighed i hele verden, "sagde Enrique Gomez, professor i kemiteknik, Penn State. "Ved at vide, hvordan materialet ser ud på indersiden, og forståelse for, hvordan denne mikrostruktur påvirker vandtransportens egenskaber, er afgørende for at designe næste generations membraner med længere driftstid, der kan fungere under forskellige betingelser. "

Gomez og hans team kiggede på polyamidfilmens indre struktur ved hjælp af højvinklet ringformet mørkfeltscanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM) tomografi. HAADF-STEMs billedintensitet er direkte proportional med materialets tæthed, muliggør kortlægning af materialet til nanoskalaopløsning.

"Vi fandt ud af, at densiteten af ​​polyamidlaget ikke er homogen, "sagde Gomez." Men i stedet varierer hele filmen og, I dette tilfælde, er højest på overfladen. "

Denne opdagelse ændrer den måde, ingeniører tænker på, hvordan vand bevæger sig gennem dette materiale, fordi strømningsmodstanden ikke er homogen og er højest ved membranoverfladen.

HAADF-STEM tillod forskerne at konstruere 3D-modeller af membranens indre struktur. Med disse modeller, de kan analysere de strukturelle komponenter og bestemme, hvilke egenskaber der skal tilbage for at membranen fungerer, og hvilke der kan manipuleres for at forbedre membranens levetid, antifouling, og øge vandindvindingen.

En anden egenskab afsløret gennem HAADF-STEM var tilstedeværelsen, eller rettere fravær, af tidligere rapporterede lukkede hulrum. Forskere troede, at membranernes fine struktur ville indeholde lukkede hulrum, der kunne fange vand og ændre strømningsmønstre. 3D-modellerne viser, at der er få lukkede hulrum i det nyeste materiale, der er undersøgt.

"Lokale variationer i porøsitet, densitet og overfladeareal vil føre til heterogenitet i flux inden for membraner, sådan at forbinde kemi, mikrostruktur og ydelse af membraner til omvendt osmose, ultrafiltrering, virus- og proteinfiltrering, og gasseparationer vil kræve 3D-rekonstruktioner fra teknikker såsom elektron tomografi, "rapporterer forskerne i en nylig udgave af Procedurer fra National Academy of Sciences .

Forskerne vil gerne skubbe opløsningen af ​​denne teknik til under 1 nanometer opløsning.

"Vi ved ikke, om der findes sub -nanometerporer i disse materialer, og vi vil gerne kunne skubbe vores teknikker til at se, om disse kanaler findes, "sagde Gomez." Vi vil også kortlægge, hvordan strømning bevæger sig gennem disse materialer for direkte at forbinde, hvordan mikrostrukturen påvirker vandstrømmen, ved at markere eller plette membranen med særlige forbindelser, der kan flyde gennem membranen og visualiseres i elektronmikroskopet. "