Polymermembraner kunne have fordel af at tage en dukkert

Mange industrielle processer er afhængige af tynde membraner, der kan rense vand, for eksempel, ved at filtrere urenheder ud. I de seneste år, en teknik kaldet atomlagdeponering (ALD) er blevet brugt til at justere disse membraner for bedre ydeevne, men der er et problem:Mange af dem er lavet af materialer, der ikke er kompatible med ALD, en proces ved hjælp af skiftevis kemiske dampe til at skabe meget tynde lag på en overflade.

En ny metode udviklet af et team, herunder forskere fra US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, gør ALD mulig på næsten enhver membran. Forskerne opdagede en overraskende enkel løsning:først dyppe membraner i garvesyre. Syrens molekyler klæber til membranens overflade, tilvejebringe kimdannelsessteder - eller punkter, hvor en ALD -belægning kan tage fat og vokse.

Evnen til at bruge denne teknik på typisk resistente membranmaterialer muliggør en række potentielle forbedringer, der kan forbedre funktionalitet og holdbarhed - eller helt nye egenskaber. Værket er detaljeret i papiret "Polyphenol-Sensitized Atomic Layer Deposition for Membrane Interface Hydrophilization, ", som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

Mange kommercielle membraner er fremstillet af almindelig plast, såsom polypropylen og polyethylen, som er billige og relativt robuste. Men når det bruges til at behandle vand, disse polymerbaserede membraner har tendens til at forårsage problemer. Deres overflader er tilbøjelige til at forurene, hvor forurenende stoffer ophobes i deres porer og reducerer effektiviteten.

Med ALD, en almindelig proces i halvlederindustrien, membraner kan ændres for at modstå tilsmudsning eller antage andre ønskelige egenskaber. Molekyler, der er aflejret på overfladen, kan flette sig gennem en membrans snoede netværk af porer for at finde alle overfladerne indeni, skaber en usædvanlig ensartet belægning.

"ALD, i princippet, er stor, "sagde Seth Darling, medforfatter af undersøgelsen og direktør for Argonne's Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Center. "Udfordringen er, at de fleste polymerer, der bruges til fremstilling af membraner, ikke kan modstå belægning med ALD."

I undersøgelsen, garvesyreforbehandling gjorde det muligt at belægge en vandtæt polymermembran med titandioxid, omdanne overfladen til at blive hydrofil (vandelskende) i stedet. Det vandtrækkende lag skaber en beskyttende buffer mod tilsmudsning.

AMEWS -centret, som er finansieret af DOE's Office of Science, støttede arbejdet som en del af en bredere indsats for at forstå og kontrollere, hvad der sker ved grænsefladen mellem vand og faste materialer. Sådan forståelse er nøglen til at forbedre vores behandling og brug af vand.

I fortiden, Argonne-forskere har udnyttet det faktum, at nogle polymerer er ugæstfrie for ALD ved at skabe en to-ansigtet "Janus" -membran, med en fuld metaloxidbelægning oven på membranen og ingen på den anden side. Denne seneste undersøgelse er første gang, forskere har været i stand til fuldstændigt og ensartet at sensitivere en membran for ALD ved hjælp af en ikke -destruktiv forbehandling.

Argonne udvikler metoder til opskalering af ALD og andre interface engineering -funktioner, så disse metoder kan evalueres for store, industrielle applikationer. "Vi anvender i øjeblikket laboratoriereaktorer til disse undersøgelser, men vi bygger værktøjer til effektiv ALD -behandling af store arealsubstrater. Dette vil muliggøre test i pilotskala af vores ALD-materialer, "sagde Jeffrey Elam, en senior kemiker ved Argonne og studere medforfatter.

Den nye metode kan muligvis ikke kun fungere med garvesyre, men enhver flydende polyphenol og også med enhver polymermembran, hvilket åbner et stort antal muligheder ud over det konceptbevis, der er beskrevet i papiret. Ud over vandtrækkende eller vandafvisende belægninger, ALD kan bruges til at skabe kemisk reaktive eller elektrisk ledende materialer.

"Der er et helt bibliotek med ting, du kan gøre med ALD, "Darling sagde." Denne teknik åbner nu biblioteket for polymermembraner. "