Kontrol af membranernes nanoskala struktur er nøglen til rent vand, finder forskere

En afsaltningsmembran fungerer som et filter til saltvand:Skub vandet gennem membranen, få rent vand egnet til landbrug, energiproduktion og endda drikke. Processen virker enkel nok, men den indeholder komplekse forviklinger, der har forvirret forskere i årtier - indtil nu.

Forskere fra Penn State, University of Texas i Austin, Iowa State University, Dow Chemical Company og DuPont Water Solutions offentliggjorde et centralt fund for at forstå, hvordan membraner rent faktisk filtrerer mineraler fra vand, online i dag (31. december) i Videnskab . Artiklen vil blive vist på printudgavens omslag, udstedes i morgen (1. januar).

"På trods af deres brug i mange år, der er meget, vi ikke ved om, hvordan vandfiltreringsmembraner fungerer, "sagde Enrique Gomez, professor i kemiteknik og materialevidenskab og teknik i Penn State, der ledede forskningen. "Vi fandt ud af, at hvordan du styrer densitetsfordelingen af ​​selve membranen på nanoskalaen, er virkelig vigtig for vandproduktionens ydeevne."

Medledet af Manish Kumar, lektor i Institut for Civil Architectural and Environmental Engineering hos UT Austin, holdet brugte multimodal elektronmikroskopi, som kombinerer detaljeret billeddannelse i atomskala med teknikker, der afslører kemisk sammensætning, at bestemme, at afsaltningsmembraner er inkonsekvente i massefylde og masse. Forskerne kortlagde tæthedsvariationerne i polymerfilm i tre dimensioner med en rumlig opløsning på cirka et nanometer - det er mindre end halvdelen af ​​diameteren af ​​en DNA -streng. Ifølge Gomez, denne teknologiske udvikling var nøglen til at forstå densitetens rolle i membraner.

"Du kan se, hvordan nogle steder er mere eller mindre tætte i et kaffefilter bare ved dit øje, "Sagde Gomez." I filtreringsmembraner, det ser jævnt ud, men det er ikke på nanoskala, og hvordan du styrer, at massefordeling virkelig er vigtig for vandfiltreringsevne. "

Dette var en overraskelse, Gomez og Kumar sagde:som man tidligere troede, at jo tykkere membranen var, jo mindre vandproduktion. Filmtec, nu en del af DuPont Water Solutions, der fremstiller mange afsaltningsprodukter, samarbejdede med forskerne og finansierede projektet, fordi deres interne forskere fandt ud af, at tykkere membraner faktisk viste sig at være mere gennemtrængelige.

Forskerne fandt ud af, at tykkelsen ikke betyder så meget som at undgå meget tætte nanoskalaområder, eller "døde zoner". I en vis forstand, en mere ensartet densitet i hele membranen er vigtigere end tykkelse for at maksimere vandproduktionen, ifølge Gomez.

Denne forståelse kan øge membraneffektiviteten med 30% til 40%, ifølge forskerne, resulterer i mere vand filtreret med mindre energi-en potentiel omkostningsbesparende opdatering til de nuværende afsaltningsprocesser.

"Omvendte osmosemembraner bruges så meget til rengøring af vand, men der er stadig meget vi ikke ved om dem, "Sagde Kumar." Vi kunne ikke rigtig sige, hvordan vand bevæger sig gennem dem, så alle forbedringer i løbet af de sidste 40 år er i det væsentlige sket i mørket. "

Omvendt osmosemembraner virker ved at lægge pres på den ene side. Mineralerne bliver der, mens vandet passerer igennem. Selvom det er mere effektivt end ikke-membranafsaltningsprocesser, dette kræver stadig en enorm mængde energi, sagde forskerne, men forbedring af membranernes effektivitet kan reducere denne byrde.

"Ferskvandsforvaltning er ved at blive en afgørende udfordring i hele verden, "Sagde Gomez." Mangel, tørke - med stigende alvorlige vejrmønstre, det forventes, at dette problem vil blive endnu større. Det er kritisk vigtigt at have rent vand til rådighed, især i områder med lav ressource. "

Teamet fortsætter med at studere membranernes struktur, samt de kemiske reaktioner, der er involveret i afsaltningsprocessen. De undersøger også, hvordan man udvikler de bedste membraner til bestemte materialer, såsom bæredygtige, men seje membraner, der kan forhindre dannelse af bakterievækst.

"Vi fortsætter med at skubbe vores teknikker med mere højtydende materialer med det formål at belyse de afgørende faktorer for effektiv filtrering, "Sagde Gomez.