Nanoporer kunne tage saltet ud af havvandet

Ingeniører fra University of Illinois har fundet et energieffektivt materiale til fjernelse af salt fra havvand, som kunne give et modspil til digteren Samuel Taylor Coleridges klagesang, "Vand, vand, overalt, heller ikke nogen dråbe at drikke."

Materialet, et nanometertykt ark af molybdændisulfid (MoS2) fyldt med bittesmå huller kaldet nanoporer, er specielt designet til at lukke store mængder vand igennem, men holde salt og andre forurenende stoffer ude, en proces kaldet afsaltning. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , Illinois-teamet modellerede forskellige tyndfilmsmembraner og fandt ud af, at MoS2 viste den største effektivitet, filtrering gennem op til 70 procent mere vand end grafenmembraner.

"Selvom vi har meget vand på denne planet, der er meget lidt, der kan drikkes, " sagde studieleder Narayana Aluru, en U. af I. professor i mekanisk videnskab og teknik. "Hvis vi kunne finde en lavpris, effektiv måde at rense havvand på, vi ville gøre gode fremskridt med at løse vandkrisen.

"At finde materialer til effektiv afsaltning har været et stort problem, og jeg tror, ​​at dette arbejde lægger grundlaget for næste generations materialer. Disse materialer er effektive med hensyn til energiforbrug og begroning, som er problemer, der har plaget afsaltningsteknologi i lang tid, " sagde Aluru, som også er tilknyttet Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved U. of I.

De fleste tilgængelige afsaltningsteknologier er afhængige af en proces kaldet omvendt osmose for at skubbe havvand gennem en tynd plastmembran for at lave ferskvand. Membranen har huller, der er små nok til ikke at slippe salt eller snavs igennem, men stor nok til at lade vand igennem. De er meget gode til at filtrere salt fra, men giver kun et dryp ferskvand. Selvom det er tyndt for øjet, disse membraner er stadig relativt tykke til filtrering på molekylært niveau, så der skal lægges meget pres på for at presse vandet igennem.

"Omvendt osmose er en meget dyr proces, " sagde Aluru. "Det er meget energikrævende. Der kræves meget kraft for at udføre denne proces, og det er ikke særlig effektivt. Ud over, membranerne svigter på grund af tilstopning. Så vi vil gerne gøre det billigere og gøre membranerne mere effektive, så de ikke fejler så ofte. Vi ønsker heller ikke at skulle bruge meget tryk for at få en høj strømningshastighed af vand."

En måde at øge vandgennemstrømningen dramatisk på er at gøre membranen tyndere, da den nødvendige kraft er proportional med membrantykkelsen. Forskere har kigget på nanometertynde membraner såsom grafen. Imidlertid, grafen præsenterer sine egne udfordringer i den måde, det interagerer med vand på.

Alurus gruppe har tidligere undersøgt MoS2 nanopores som en platform for DNA-sekventering og besluttet at udforske dens egenskaber for vandafsaltning. Brug af Blue Waters supercomputer på National Center for Supercomputing Applications i U. of I., de fandt ud af, at et enkelt-lags ark af MoS2 overgik sine konkurrenter takket være en kombination af tyndhed, poregeometri og kemiske egenskaber.

Et MoS2-molekyle har et molybdænatom klemt mellem to svovlatomer. Et ark MoS2, derefter, har svovlbelægning på hver side med molybdæn i midten. Forskerne fandt ud af, at dannelsen af ​​en pore i arket, der efterlod en blotlagt ring af molybdæn omkring midten af ​​poren, skabte en dyse-lignende form, der trak vand gennem poren.

"MoS2 har iboende fordele ved, at molybdænet i midten tiltrækker vand, så skubber svovlen på den anden side det væk, så vi har meget højere hastighed af vand, der går gennem poren, " sagde kandidatstuderende Mohammad Heiranian, undersøgelsens første forfatter. "Det er iboende i MoS2's kemi og porens geometri, så vi ikke behøver at funktionalisere poren, som er en meget kompleks proces med grafen."

Ud over de kemiske egenskaber, enkeltlagsarkene i MoS2 har fordelene ved at være tynde, kræver meget mindre energi, hvilket igen reducerer driftsomkostningerne markant. MoS2 er også et robust materiale, så selv sådan en tynd plade er i stand til at modstå de nødvendige tryk og vandmængder.

Illinois-forskerne etablerer samarbejder for eksperimentelt at teste MoS2 for afsaltning af vand og for at teste dets begroningshastighed, eller tilstopning af porerne, et stort problem for plastmembraner. MoS2 er et relativt nyt materiale, men forskerne mener, at fremstillingsteknikker vil forbedres, efterhånden som dens høje ydeevne bliver mere eftertragtet til forskellige anvendelser.

"Nanoteknologi kan spille en stor rolle i at reducere omkostningerne ved afsaltningsanlæg og gøre dem energieffektive, " sagde Amir Barati Farimani, der arbejdede på studiet som kandidatstuderende ved Illinois og nu er postdoc ved Stanford University. "Jeg er i Californien nu, og der er meget snak om tørken og hvordan man tackler den. Jeg håber meget på, at dette arbejde kan hjælpe designere af afsaltningsanlæg. Denne type tynde membraner kan øge investeringsafkastet, fordi de er meget mere energieffektive."