Knap ridser overfladen:En ny måde at lave robuste membraner på

Argonne-forskere har demonstreret en ny tekniks levedygtighed for membraner.

Uanset om det er postevand eller en kop kaffe, næsten alt, hvad vi drikker, passerer gennem en slags filter. Evnen til at omdanne væsker på denne måde er afgørende for dagligdagen, alligevel hviler den ofte på relativt sarte membraner, der hurtigt kan tilstoppe eller nedbrydes.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory designer måder at behandle membraner på, så de kan filtrere væsker bedre og modstå nedbrydning fra industrielle forarbejdningskemikalier og biofoulants. Argonnes patenterede sekventielle infiltrationssyntese (SIS) teknik kan fundamentalt ændre en membran indefra, giver mulighed for meget større kontrol over dens kemiske makeup og porestørrelse.

SIS har vist lovende for fremstilling af halvledere, optiske belægninger og svampe, der renser oliespild. Nu, for første gang, Argonne-forskere har påvist teknikkens levedygtighed for membraner.

Først udtænkt i 2010 af Argonne-forskere, SIS er en fætter til atomlagsaflejring, eller ALD. Begge teknikker bruger kemiske dampe til at ændre grænsefladen af ​​et materiale, såsom en membran.

"Men der er en vigtig mangel ved ALD for denne applikation, " sagde Seth Darling, direktør for Institute for Molecular Engineering i Argonne og Advanced Materials for Energy-Water Systems Energy Frontier Research Center. "Når du belægger porer i en membran med en teknik som ALD, du indskrænker dem."

Det er fordi ALD grundlæggende tilføjer lag oven på membranen, som langsomt formindsker porediametrene - på samme måde som du ville begrænse luftstrømmen gennem en udluftning i væggen, hvis du blev ved med at male over den. SIS, på den anden side, vokser materiale inde i selve membranstrukturen, ændre dens kemi uden at påvirke poreformen markant.

"SIS kan opnå mange af de ting, som ALD kan opnå med hensyn til konstruktion af grænsefladen, "Kære sagde, "men med minimal poreforsnævring."

Næsten alle kommercielle membraner er lavet af polymerer - store molekyler dannet af gentagne kæder af mindre molekyler. SIS gør brug af rummet mellem disse molekyler, penetrerer overfladen af ​​membranen og diffunderer ind i den med et uorganisk materiale. I deres proof of concept, Darling og kolleger brugte SIS til at plante "frøene" til aluminiumoxid og dyrkede det i polyethersulfon (PES) ultrafiltreringsmembraner (UF), gør dem mere modstandsdygtige uden at gå på kompromis med filtreringsevnen. Resultaterne blev offentliggjort online den 24. september i JOM, tidsskriftet The Minerals, Metal- og Materialesamfundet.

SIS-teknikken muliggør en række forbedringer af membraner:evnen til at forhindre begroning i at hæfte sig til overfladen, for eksempel, eller modstandsdygtighed over for opløsningsmidler, der kan være nødvendige i industrielle omgivelser, men som ville opløse konventionelle membranmaterialer.

Evnen til at konstruere membraner på denne måde kan hjælpe med at reducere omkostningerne på vandbehandlingsanlæg eller i den kemiske og farmaceutiske industri ved at reducere nedetiden og omkostningerne forbundet med at udskifte brugte membraner.

Darling og kolleger brugte SIS til at skabe Oleo Sponge, som opfanger olie fra vand. I det tilfælde, et metaloxid dyrket i svampens overflade tjener som podested for olieelskende molekyler.

"Du kan forestille dig en lignende strategi med membraner, " han sagde, "Hvor du poder på molekyler for at give en vis selektivitet eller andre egenskaber, som du leder efter."