Filtrering af væsker med væsker sparer strøm

Filtrering og behandling af vand, både til konsum og til at rense industrielt og kommunalt spildevand, tegner sig for omkring 13 % af al elektricitet, der forbruges i USA hvert år og frigiver omkring 290 millioner tons CO2 ₂ ud i atmosfæren årligt - omtrent svarende til den samlede vægt af hvert menneske på Jorden.

En af de mest almindelige metoder til behandling af vand er at føre det gennem en membran med porer, der er dimensioneret til at filtrere partikler fra, der er større end vandmolekyler. Imidlertid, disse membraner er modtagelige for "begroning, " eller tilstopning af selve de materialer, de er designet til at filtrere fra, nødvendiggør mere elektricitet for at tvinge vandet gennem en delvist tilstoppet membran og hyppig membranudskiftning, som begge øger omkostningerne til vandbehandling.

Ny forskning fra Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og samarbejdspartnere ved Northeastern University og University of Waterloo viser, at Wyss' væskestyrede membraner (LGM'er) filtrerer nanolerpartikler ud af vand med dobbelt så høj effektivitet, næsten tre gange længere tid til overtrædelse, og en reduktion i det tryk, der kræves til filtrering over konventionelle membraner, at tilbyde en løsning, der kan reducere omkostningerne og elforbruget ved industriprocesser med stor indvirkning, såsom olie- og gasboring. Undersøgelsen er rapporteret i APL materialer .

"Dette er den første undersøgelse, der viser, at LGM'er kan opnå vedvarende filtrering i omgivelser, der ligner dem, der findes i tung industri, og det giver indsigt i, hvordan LGM'er modstår forskellige typer forurening, som kan føre til deres brug i en række forskellige vandbehandlingsmiljøer, " sagde førsteforfatter Jack Alvarenga, en forsker ved Wyss Institute.

LGM'er efterligner naturens brug af væskefyldte porer til at kontrollere bevægelsen af ​​væsker, gasser og partikler gennem biologiske filtre, der bruger den lavest mulige mængde energi, meget ligesom de små stomataåbninger i planters blade tillader gasser at passere igennem. Hver LGM er belagt med en væske, der fungerer som en vendbar port, udfyldning og tætning af dets porer i "lukket" tilstand. Når der påføres tryk på membranen, væsken inde i porerne trækkes til siderne, skabe åben, væskeforede porer, der kan indstilles til at tillade passage af specifikke væsker eller gasser, og modstå tilsmudsning på grund af væskelagets glatte overflade. Brugen af ​​væskeforede porer muliggør også adskillelse af en målforbindelse fra en blanding af forskellige stoffer, hvilket er almindeligt i industriel væskebehandling.

Forskerholdet besluttede at teste deres LGM'er på en suspension af bentonit-ler i vand, som sådan efterligner "nanoclay"-løsninger spildevandet, der produceres af boreaktiviteter i olie- og gasindustrien. De infunderede 25 mm skiver af en standard filtermembran med perfluorpolyether, en type flydende smøremiddel, der har været brugt i luftfartsindustrien i over 30 år, at konvertere dem til LGM'er. De placerede derefter membranerne under tryk for at trække vand gennem porerne, men efterlod nanolerpartiklerne, og sammenlignede ydeevnen af ​​ubehandlede membraner med LGM'er.

De ubehandlede membraner viste tegn på begroning af nanoler meget hurtigere end LGM'erne, og LGM'erne var i stand til at filtrere vand tre gange længere end standardmembranerne, før de krævede en "backwash"-procedure for at fjerne partikler, der havde samlet sig på membranen. Mindre hyppig tilbageskylning kunne oversætte til en reduktion i brugen af ​​rengøringskemikalier og energi, der kræves til at pumpe tilbageskylningsvand, og forbedre filtreringshastigheden i industrielle vandbehandlingsmiljøer.

Mens LGM'erne til sidst oplevede begroning, de viste en reduktion på 60 % i mængden af ​​nanoler, der akkumulerede i deres struktur under filtrering, som er kendt som "irreversibel tilsmudsning", fordi den ikke fjernes ved tilbageskylning. Denne fordel giver LGM'er en længere levetid og gør, at mere af filtratet kan genvindes til alternativ anvendelse. Derudover LGM'erne krævede 16 % mindre tryk for at starte filtreringsprocessen, afspejler yderligere energibesparelser.

"LGM'er har potentiale til brug i så forskellige industrier som fødevare- og drikkevareforarbejdning, biofarmaceutisk fremstilling, tekstiler, papir, papirmasse, kemisk, og petrokemiske, og kunne tilbyde forbedringer i energiforbrug og effektivitet på tværs af en lang række industrielle applikationer, " sagde den tilsvarende forfatter Joanna Aizenberg, Ph.D., som er et Founding Core Faculty-medlem af Wyss Institute og Amy Smith Berylson-professor i materialevidenskab ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Holdets næste skridt for forskningen omfatter større pilotstudier med industripartnere, langsigtet drift af LGM'erne, og filtrering af endnu mere komplekse blandinger af stoffer. Disse undersøgelser vil give indsigt i LGM'ers kommercielle levedygtighed til forskellige applikationer, og hvor længe de ville holde i en række tilfælde.

"Konceptet med at bruge en væske til at hjælpe med at filtrere andre væsker, selvom det måske ikke er indlysende for os, er udbredt i naturen. Det er vidunderligt at se, hvordan udnyttelse af naturens innovation på denne måde potentielt kan føre til enorme energibesparelser, " sagde Wyss stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman Professor i Vascular Biology ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.