Ultrabright røntgenstråler afslører den molekylære struktur af membraner, der bruges til afsaltning af havvand

For første gang, et team af forskere fra Stony Brook University og US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har afsløret molekylstrukturen af ​​membraner, der bruges til omvendt osmose. Forskningen er rapporteret i et nyligt offentliggjort papir i ACS makrobreve , et tidsskrift for American Chemical Society (ACS).

Omvendt osmose er den førende metode til at omdanne brakvand eller havvand til drikkevand eller drikkevand, og det bruges til at lave omkring 25, 000 millioner liter ferskvand om dagen globalt ifølge International Water Association.

"Det meste af jordens vand er i havene, og kun tre procent er ferskvand, så vandrensning er et vigtigt redskab til at dække den stigende efterspørgsel efter drikkevand, "sagde Brookhaven Lab seniorforsker Benjamin Ocko." Omvendt osmose er ikke en ny teknologi; imidlertid, molekylstrukturen i mange af de meget tynde polymerfilm, der fungerer som barriererlaget i membraner med omvendt osmose, trods dens betydning, var ikke kendt før. "

Det tynde polymerbarrierelag, der anvendes i omvendt osmosemembran, er semipermeabel. Små molekyler som vand kan krydse fra den ene side af membranen til den anden, men andre molekyler, såsom hydratiserede natrium- eller chloridioner, ikke kan krydse spærrelaget. Denne egenskab er, hvad der tillader disse membraner at filtrere saltet ud af saltvand for at lave drikkevand. Under en kommerciel omvendt osmose proces, det salte vand sættes under tryk for at tvinge det friske vand gennem membranen.

Da havvandet skal presses gennem membranen, energiforbruget i omvendt osmose -faciliteter er højt. For at lave 100 liter ferskvand med omvendt osmose, energiomkostningerne er cirka en kilowattime, svarer til at køre en 100-watt pære i 10 timer.

"Selv små forbedringer i filtreringsmembranernes ydeevne ville resultere i enorme energi- og omkostningsbesparelser globalt, "sagde Benjamin S. Hsiao, fremtrædende professor ved Stony Brook University. "Derfor, vi ser på membranerne på et molekylært niveau. Vi vil finde ud af, hvordan molekylær struktur bidrager til meget effektive membraner og bruge denne viden til at designe forbedrede membraner. "

Til disse målinger, holdet lavede en veldefineret tynd polymerfilm ved olie/vand-grænsefladen ved hjælp af en metode kaldet grænsefladepolymerisering, hvilket ligner den industrielle proces. Som en todelt epoxy, en af ​​de molekylære komponenter sættes til vandet, og den anden tilsættes til olien. Ved grænsefladen, hvor vandet og olien rører - ligesom grænsefladen mellem olie og eddike i salatdressing - reagerer de to molekylære komponenter med hinanden og skaber den meget tynde polymerfilm.

"Den resulterende tynde film er kun en tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår. Det ligner også strukturelt det tynde barriererlag i kommercielle omvendte osmosemembraner, men det er meget glattere, "sagde Francisco Medellin-Rodriguez, en professor ved San Luis Potosi Autonomous University i Mexico. "For at studere disse tynde film, vi har brug for ultralette røntgenstråler, samt avancerede analyse- og simuleringsværktøjer. "

Ved at bruge ultralette røntgenstråler fra National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven, forskerne begynder at opklare forholdet mellem membranernes molekylære struktur og deres effektivitet.

Ifølge Qinyi Fu, en kandidatstuderende ved Stony Brook University og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, "For at løse membranernes molekylære struktur, teamet studerede røntgenstrålings spredningsmønstre ved hjælp af en teknik kaldet græsning-forekomst vidvinkel røntgenstråling ved NSLS-II's Complex Materials Scattering (CMS) og Soft Matter Interfaces (SMI) beamlines. "

I denne teknik, røntgenstrålerne rammer membranen i en lille vinkel og spredes af overfladen. De fanges derefter af en detektor, der registrerer det såkaldte spredningsmønster for de røntgenstråler, der er specifik for membranens molekylære struktur.

"I spredningsmønsteret, vi er i stand til at identificere molekylære pakningsmotiver:hvordan nabomolekylerne i polymeren er arrangeret i forhold til hinanden. Det ene er det parallelle motiv, og det andet er det vinkelrette motiv, "sagde Ocko." Mens begge pakningsmotiver er til stede, det vinkelrette pakningsmotiv er bedre korreleret med optimale filtreringsegenskaber. "

Hsiao tilføjede, "Vores fund viser også, at molekylstrukturen fortrinsvis er orienteret i forhold til membranoverfladen. Dette er ret spændende og kan være relateret til, hvordan vandvejene i membranen er orienteret."

For nylig, teamet er begyndt at studere reverse osmosemembraner, der er fremstillet til kommercielle vandrensningssystemer. De kemikalier, der bruges til at fremstille disse membraner, er de samme som dem, der blev brugt til at lave membranfilm ved olie/vand -grænsefladerne.

"De kommercielle processer er beskyttet af virksomhedens forretningshemmeligheder, og de præcise fremstillingsbetingelser kendes ikke, "Sagde Ocko." På trods af dette, vores resultater viser, at kommercielle membraner udviser lignende strukturelle egenskaber som modelmembranerne fremstillet i vores laboratorium ved olie/vand -grænsefladen, herunder de parallelle og vinkelrette motiver og præferentiel molekylær orientering. "

Ved at studere mange membranmaterialer og sammenligne deres røntgenbestemte strukturelle egenskaber med deres filtreringskarakteristika, forskerne forventer at udvikle et detaljeret struktur-funktion-forhold.

"Vi håber, at dette vil hjælpe udviklingen af ​​mere energieffektive membraner til fremtidige generationer af vandfiltreringssystemer, "Sagde Hsiao.