Forskere afslører nøgleindsigt i teknologien til fremvoksende vandrensning

Med vandmangel er en kritisk udfordring over hele kloden, forskere og ingeniører forfølger nye måder at høste renset vand fra ukonventionelle kilder, som havvand eller endda spildevand.

En af disse forskere er Tiezheng Tong, en adjunkt i Institut for Civil- og Miljøteknik, hvis laboratorium studerer en ny teknologi kaldet membrandestillation.

Membrandestillation involverer en tynd, vandafvisende membran, der udnytter damptrykforskelle mellem varmere uren væske, kaldet "fødevand, "og koldere renset vand, kaldes "permeat". Under processen, vanddamp passerer gennem membranen og adskilles fra det salte eller snavsede fødevand. Ifølge Tong, membrandestillation fungerer bedre end andre teknologier som omvendt osmose, som ikke kan behandle ekstremt saltvand som f.eks. afsaltning af saltlage eller produceret vand fra hydraulisk frakturering.

Selvom det lover, membrandestillation virker ikke perfekt. En vigtig udfordring er at designe membraner til at rense vand effektivt og samtidig sikre nul forurening af det rene vand.

Tong- og materialeforsker Arun Kota i Institut for Maskinteknik gik sammen om at komme til den grundlæggende videnskab bag designet af den perfekte membran. I nye forsøg beskriver de i Naturkommunikation , CSU -forskerne giver ny information om, hvorfor visse membrandesign, der bruges i membrandestillation, fungerer bedre end andre.

"Den grundlæggende viden fra vores papir forbedrer den mekanistiske forståelse for vanddamptransport inden for mikroporøse substrater og har potentiale til at guide det fremtidige design af membraner, der bruges til membrandestillation, "Sagde Tong.

Ved membrandestillation, fødevandet opvarmes, adskiller de rene og urene komponenter ved forskelle i flygtighed. Den mikroporøse membran er en nøglekomponent i opsætningen, fordi den tillader vanddamp gennem, men ikke hele den urene væske. Typisk, membranen er lavet af en "hydrofob, "eller vandafvisende, materiale for kun at lade vanddampen passere igennem, men opretholde en barriere for fødevandet.

Imidlertid, disse hydrofobe membraner kan mislykkes, fordi fødevandet, såsom skiferolieproduceret vand, kan have lav overfladespænding. Denne lave overfladespænding gør det muligt for fødevandet at lække gennem membranporerne, forurener det rene vand på den anden side - et fænomen kaldet membranbefugtning.

Tidligere forskning havde afsløret, at brug af "omnifobe" membraner - membraner, der afviser alle væsker, inklusive vand og væsker med lav overfladespænding - hold damp/vand -separationen intakt. Men, omnifobe membraner sænker typisk hastigheden og mængden af ​​vanddamp, der passerer gennem membranen, reducerer effektiviteten af ​​hele processen dramatisk.

CSU -forskerne satte sig for at opdage, hvorfor denne afvejning mellem hydrofobe vs omnifobiske membraner eksisterer. Gennem systematiske eksperimenter i laboratoriet ledet af postdoktorale forskere Wei Wang i Kotas laboratorium, og Tongs kandidatstuderende Xuewei Du, de fandt ud af, at konventionelle hydrofobe membraner skaber et større væske-damp-grænsefladeområde. Dette øger mængden af ​​fordampning, der finder sted. Med de omnifobe membraner, de så en meget mindre væske-damp-grænseflade. Dette forklarer forskellen mellem membranernes præstationer.

De omnifobe membraner, der blev anvendt i eksperimenterne, blev fremstillet uden afsætning af ekstra partikler. Således kunne forskerne fastslå, at deres observationer ikke var et resultat af strukturelle ændringer i membranerne.

Selvom de ikke tilbød en løsning på afvejningen, deres indsigt afslører kerneudfordringen omkring at gøre membrandestillation til en succesrig teknologi. "Hvis du forstår problemet grundigt, så er der mulighed for at løse det, "Sagde Kota." Vi har identificeret mekanismen; nu skal vi løse afvejningsproblemet. "

For eksempel, smarte membraner med enestående omnifobicitet og samtidig et stort væskedamp-grænsefladeområde kan gøre membrandestillation til en robust og omkostningseffektiv proces til vandrensning. Mere samarbejde er blevet iværksat af teamet for at designe sådanne smarte membraner, med det mål at øge effektiviteten af ​​membrandestillation.

Tong tilføjede, at forskningen skete i grænsefladen mellem to discipliner:overfladevidenskab og membranteknologi.

"Arun and I utilized our complementary expertise to systematically conduct this work, " Tong said. "It is an example of good interdisciplinary collaboration across campus."