Forskeres beregningsmetoder baner vejen for næste generations membranteknologi til vandrensning

Vand er måske Jordens mest kritiske naturressource. I lyset af stigende efterspørgsel og stadig mere udstrakte vandressourcer, forskere forfølger mere innovative måder at bruge og genbruge eksisterende vand på, samt at designe nye materialer for at forbedre vandrensningsmetoderne. Syntetisk fremstillede semipermeable polymermembraner, der anvendes til fjernelse af forurenende opløste stoffer, kan give et niveau af avanceret behandling og forbedre energieffektiviteten ved behandling af vand; imidlertid, eksisterende videnshuller begrænser transformative fremskridt inden for membranteknologi. Et grundlæggende problem er at lære, hvordan affiniteten, eller attraktionen, mellem opløste stoffer og membranoverflader påvirker mange aspekter af vandrensningsprocessen.

"Begroning - hvor opløste stoffer klæber til og smelter membraner op - reducerer ydeevnen betydeligt og er en stor hindring for at designe membraner til at behandle produceret vand, " sagde M. Scott Shell, en kemiingeniørprofessor ved UC Santa Barbara, der udfører beregningssimuleringer af bløde materialer og biomaterialer. "Hvis vi grundlæggende kan forstå, hvordan opløst stofs klæbrighed påvirkes af den kemiske sammensætning af membranoverflader, herunder mulig mønsterdannelse af funktionelle grupper på disse overflader, så kan vi begynde at designe næste generation, Begroningsresistente membraner til at afvise en bred vifte af opløste stoffer."

Nu, i et papir udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Shell og hovedforfatter Jacob Monroe, en nylig ph.d. kandidat fra afdelingen og tidligere medlem af Shells forskningsgruppe, forklare relevansen af ​​makroskopiske karakteriseringer af opløst stof-til-overflade affinitet.

"Opløsnings-overflade-interaktioner i vand bestemmer adfærden for en lang række fysiske fænomener og teknologier, men er særligt vigtige i vandseparation og -rensning, hvor mange forskellige typer af opløste stoffer ofte skal fjernes eller indfanges, " sagde Monroe, nu postdoc-forsker ved National Institute of Standards and Technology (NIST). "Dette arbejde tackler den store udfordring med at forstå, hvordan man designer næste generations membraner, der kan håndtere enorme årlige mængder af stærkt forurenede vandkilder, som dem, der produceres i oliefeltsoperationer, hvor koncentrationen af ​​opløste stoffer er høj og deres kemi ret forskellig."

Opløste stoffer karakteriseres ofte som spænder fra hydrofile, som kan opfattes som vandlignende og let opløses i vand, til hydrofob, eller ikke kan lide vand og foretrækker at adskille fra vand, som olie. Overflader spænder over det samme område; for eksempel, vand perler op på hydrofobe overflader og spreder sig ud på hydrofile overflader. Hydrofile opløste stoffer kan lide at klæbe til hydrofile overflader, og hydrofobe opløste stoffer klæber til hydrofobe overflader. Her, forskerne bekræftede forventningen om, at "like klæber til lide, "men også opdaget, overraskende, at det samlede billede er mere komplekst.

"Blandt den brede vifte af kemi, som vi overvejede, vi fandt ud af, at hydrofile opløste stoffer også kan lide hydrofobe overflader, og at hydrofobe opløste stoffer også kan lide hydrofile overflader, selvom disse attraktioner er svagere end dem, man kan lide, " forklarede Monroe, refererer til de otte opløste stoffer, gruppen testede, lige fra ammoniak og borsyre, til isopropanol og methan. Gruppen udvalgte små molekyle opløste stoffer, der typisk findes i produceret vand, for at give et grundlæggende perspektiv på opløst stof-overflade affinitet.

Den beregningsmæssige forskningsgruppe udviklede en algoritme til at genmønstre overflader ved at omarrangere overfladekemiske grupper for at minimere eller maksimere affiniteten af ​​et givet opløst stof til overfladen, eller alternativt at maksimere overfladeaffiniteten af ​​et opløst stof i forhold til et andet. Tilgangen var baseret på en genetisk algoritme, der "udviklede" overflademønstre på en måde, der ligner naturlig selektion, optimere dem mod et bestemt funktionsmål.

Gennem simuleringer, holdet opdagede, at overfladeaffinitet var dårligt korreleret til konventionelle metoder til hydrofobicitet af opløste stoffer, såsom hvor opløseligt et opløst stof er i vand. I stedet, de fandt en stærkere sammenhæng mellem overfladeaffinitet og den måde, hvorpå vandmolekyler nær en overflade eller nær et opløst stof ændrer deres strukturer som reaktion. I nogle tilfælde, disse nærliggende farvande blev tvunget til at vedtage strukturer, der var ugunstige; ved at bevæge sig tættere på hydrofobe overflader, opløste stoffer kunne så reducere antallet af sådanne ugunstige vandmolekyler, giver en overordnet drivkraft for affinitet.

"Den manglende ingrediens var at forstå, hvordan vandmolekylerne nær en overflade er opbygget og bevæger sig rundt om den, sagde Monroe. Især, vandstrukturelle fluktuationer forstærkes nær hydrofobe overflader, sammenlignet med bulkvand, eller vandet langt væk fra overfladen. Vi fandt ud af, at udsving drev klæbrigheden af ​​alle små opløste typer, som vi testede. "

Fundet er vigtigt, fordi det viser, at ved design af nye overflader, forskere bør fokusere på reaktionen fra vandmolekyler omkring dem og undgå at blive styret af konventionelle hydrofobicitetsmetrikker.

Baseret på deres resultater, Monroe og Shell siger, at overflader bestående af forskellige typer molekylær kemi kan være nøglen til at opnå flere præstationsmål, såsom at forhindre et udvalg af opløste stoffer i at tilsmudse en membran.

"Overflader med flere typer kemiske grupper giver et stort potentiale. Vi viste, at ikke kun tilstedeværelsen af ​​forskellige overfladegrupper, men deres arrangement eller mønster, påvirke opløst stof-overflade affinitet, " sagde Monroe. "Bare ved at omarrangere det rumlige mønster, det bliver muligt signifikant at øge eller mindske overfladeaffiniteten af ​​et givet opløst stof, uden at ændre hvor mange overfladegrupper der er til stede."

Ifølge holdet, deres resultater viser, at beregningsmetoder kan bidrage væsentligt til næste generations membransystemer til bæredygtig vandbehandling.

"Dette arbejde gav detaljeret indsigt i de molekylære skala-interaktioner, der kontrollerer opløst stof-overflade-affinitet, " sagde Shell, John E. Myers's grundlægger i kemiteknik. "I øvrigt, det viser, at overflademønster tilbyder en kraftfuld designstrategi inden for konstruktion af membraner, der er modstandsdygtige over for tilsmudsning fra en række forskellige forurenende stoffer, og som præcist kan kontrollere, hvordan hver type opløst stof udskilles. Som resultat, det tilbyder molekylære designregler og mål for næste generations membransystemer, der er i stand til at rense stærkt forurenet vand på en energieffektiv måde."

De fleste af de undersøgte overflader var modelsystemer, forenklet for at lette analyse og forståelse. Forskerne siger, at det naturlige næste skridt vil være at undersøge stadig mere komplekse og realistiske overflader, der i højere grad efterligner faktiske membraner, der bruges til vandbehandling. Et andet vigtigt skridt for at bringe modelleringen tættere på membrandesign vil være at bevæge sig ud over blot at forstå, hvor klæbrig en membran er for et opløst stof og i retning af at beregne de hastigheder, hvormed opløste stoffer bevæger sig gennem membraner.