Forskere opretter vandfiltreringsmembraner, der kan rense sig selv

Forskere ved Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har udviklet en lysaktiveret belægning til filtreringsmembraner - den slags, der bruges i vandbehandlingsanlæg, på halvlederproduktionssteder og inden for fødevare- og drikkevareindustrien-for at gøre dem selvrensende, eliminerer behovet for at lukke systemerne ned for at reparere dem.

Billig og effektiv, vandfiltreringsmembraner har eksisteret i årevis, men har altid været sårbare over for tilstopning fra organiske og uorganiske materialer, der stopper dets porer over tid, et fænomen kendt som fouling.

"Alt, du stikker i vand, vil før eller siden blive tilsmudset, " sagde Argonne seniorforsker Seth Darling.

Darling er direktør for Argonne's Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, et Energy Frontier Research Center (EFRC) sponsoreret af DOE.

"Næsten alle membraner, der bruges i den virkelige verden, fungerer ved hjælp af en fysisk mekanisme, små huller, der blokerer alt, hvad du forsøger at filtrere fra, " sagde han. "Men de laver ikke nogen kemi. Det er det, vi har søgt at ændre ved at lægge en belægning på membranen, der giver den kemisk funktionalitet."

"Det er det, der adskiller vores opdagelse fra tidligere arbejde på dette område, " sagde Seth Darling, seniorforsker ved Department of Energy's Argonne National Laboratory. "Membranen kan fortsætte med at være i drift, eliminere behovet for, for eksempel, luk et filtreringssystem ned for at rense eller udskifte beskidte dele. "

Mens dem, der arbejder inden for vandfiltrering, har haft en vis succes med at fjerne, rengøring og udskiftning af tilsmudsede membraner, processen er langt fra ideel, fordi den tager membranerne – og nogle gange hele vandbehandlingssystemer – ud af drift.

"Det, vi forsøger at gøre, er at forhindre dette helt, "Sagde Darling.

Han og hans teams nye, Lavprisfremskridt er en game-changer for industrier, der er afhængige af denne type teknologi.

Belægningen, de bruger, er baseret på titandioxid, eller TiO ₂ , som er blevet udforsket til vandbehandlingsapplikationer i årevis på grund af dets høje stabilitet, ikke-toksicitet, lave omkostninger og biokompatibilitet.

Darling og hans team tog teknologien et skridt videre ved at tilføje en smule nitrogen til blandingen. Processen, kaldet nitrogendoping, gør membranen følsom over for synligt lys. Belægningen fungerer som en katalysator, der nedbryder foulants, frigiver dem fra membranen, derved gøre det rent.

"Normal TiO ₂ ville fungere, men kun med ultraviolet lys, "sagde Huiru Zhang, en kandidatstuderende, der arbejdede på projektet. "Det kan give mening i nogle situationer, men det er langt mindre tilgængeligt end synligt lys."

Sammenlignet med almindelig TiO ₂ , nitrogen-doteret TiO ₂ -coatede membraner viser en 24 gange højere fotokatalytisk effektivitet under sollys.

Argonnes succes på dette område er unik:Aldrig før havde forskere været i stand til at få membraner til at rense sig selv, mens de stadig fungerer som et filter.

"Det er det, der adskiller vores opdagelse fra tidligere arbejde på dette område, "Darling sagde." Membranen kan fortsat være i brug, eliminere behovet for, for eksempel, lukke et filtreringssystem ned for at rense eller udskifte forurenede dele."

Darling og hans team offentliggjorde for nylig deres fund i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

"I princippet, vores opdagelse kan bruges overalt, hvor membraner er i vand, og endda som belægning på andre komponenter i vandsystemer, "Sagde Darling.