Simuleringer peger på grafenoxidrammers potentiale i vandrensning

(Phys.org) — Beregningsmodellering har givet materialeforskere ny indsigt i egenskaberne af en membran, der renser saltvand til drikkevand. Den resulterende teknologi kan hjælpe med at fremskynde ineffektive afsaltningsprocesser i brug i dag.

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory og Rensselaer Polytechnic Institute brugte supercomputer-simuleringer ved RPI's Center for Computational Innovations til at udforske rensningspotentialet af et hybridmateriale kaldet grafenoxidrammer, eller GOF'er, første gang introduceret i 2010.

"Dette er dybest set plader af oxideret grafen forbundet med specifikke kemiske linkere fra nogle af oxidationsstederne, " sagde ORNLs Bobby Sumpter. "Fordi den hovedsageligt består af stærkt bundet kulstof, det nedbrydes ikke i vand og har gode mekaniske egenskaber. Det er et spændende materiale med potentiale til adskillige anvendelser."

Oprindeligt fascineret af GOFs' justerbare elektroniske egenskaber, Sumpter og RPI's Vincent Meunier indså hurtigt, at materialet kunne bruges som en afsaltningsmembran.

Omvendt osmose systemer, som udgør cirka 40 procent af verdens afsaltningskapacitet, generere ferskvand ved at påføre tryk for at tvinge saltvand gennem en semipermeabel membran.

"Et stort problem for afsaltning er hastigheden - hvor meget vand kan du presse igennem om dagen, sagde Meunier, Gail og Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation professor i fysik, Informationsteknologi, og Entrepreneurship hos RPI. "Du kan have et fantastisk membranmateriale, men hvis du kun kan behandle en kop vand om dagen, det vil ikke være nyttigt eller omkostningseffektivt."

Efter at have udviklet beregningsmodeller til at beskrive interaktionerne mellem materialets atomer, Sumpter, Meunier og RPI's Adrien Nicolaï satte sig for at beregne den ideelle konfiguration for en GOF-afsaltningsmembran. De brugte højtydende computere til at simulere, hvordan lagtykkelse, tætheden af ​​de forbindende søjler, og påført tryk påvirker materialets ydeevne.

"Der er et sødt sted for tætheden af ​​linkerene, " sagde Meunier. "Hvis du har en høj tæthed af linkere, det vil være super selektivt, men det vil også bremse det. Du har brug for både selektivitet og permeabilitet."

Simuleringerne afslørede, at finjustering af GOF-strukturen resulterer i evnen til at fjerne alle ionerne fra saltvand med en meget hurtigere hastighed - cirka 100 gange hurtigere end de materialer, der i øjeblikket bruges som omvendt osmose-membraner. Brugen af ​​vandafvisende grafen som en del af den porøse membran bidrager til den øgede ydeevne.

"Vand forsøger at undgå at være i kontakt med grafen, så du kan designe det på en sådan måde, at du tvinger vandet til ikke at være tæt på det ene lag, men heller ikke tæt på det andet, " sagde Meunier. "Denne effekt skaber kanaler, som leder vand gennem systemet meget hurtigt."

Holdets seneste simuleringer fokuserede på fjernelse af saltioner, men forskerne bemærker, at GOF-materialet kunne bruges som filtreringsmembraner for andre forurenende stoffer såsom bakterier. Da GOF'er er lavet med rigelige, billige materialer gennem en standard fremstillingsproces, forskerne mener også, at de GOF-baserede membraner kan være med til at gøre afsaltning mere økonomisk rentabel.

"Vi tror på, at det er skalerbart, at den kemitekniske industri potentielt kunne producere det i løs vægt, " sagde Sumpter.

Holdets seneste resultater er offentliggjort som "Tunable water desalination across graphene oxide framework membranes" i tidsskriftet Fysisk kemi Kemisk fysik . Office of Naval Research og Department of Energy's Office of Science støttede forskningen.

Sumpter tilføjer, at teamets projekt eksemplificerer, hvordan tværfaglige samarbejder – der kombinerer materialevidenskab, fysisk kemi, biofysik og beregningssimulering - kan give betydelige resultater.

"Forståelse i forskellige discipliner er afgørende for at muliggøre disse vigtige eksempler på videnskab, " sagde han. "Det er fordelen ved nanovidenskab, hvor flere felter samles for at løse et problem, der er vigtigt for samfundet."