Ingeniører udvikler filtre, der bruger nanopartikler til at forhindre opbygning af slim

Filtreringsmembraner er, i deres kerne, svampelignende materialer, der har mikro- eller nanoskopisk små porer. Uønskede kemikalier, bakterier og endda vira blokeres fysisk af labyrinten af ​​masker, men væsker som vand kan komme igennem.

Den nuværende standard for fremstilling af disse filtre er relativt ligetil, men tillader ikke meget at give dem ekstra funktionalitet. Dette er et særligt behov, når det kommer til "biofouling". Det biologiske materiale, de skal filtrere ud - herunder bakterier og vira - sidder fast på overfladen af ​​masken, blokerer porerne med en slimet rest.

Udover at reducere flowet, sådanne biofilm kan potentielt forurene den væske, der kommer igennem til den anden side af filteret.

Forskere ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science har en ny måde at lave membraner, der kan løse dette problem. Deres metode giver dem mulighed for at tilføje en lang række nye evner via funktionelle nanopartikler, der klæber til overfladen af ​​masken.

De har demonstreret denne nye proces med membraner, der blokerer forurenende bakterier og virusstørrelser uden at lade dem klistre, en egenskab, der ville øge filterets effektivitet og levetid markant.

De "antifouling" -membraner, de har testet, ville umiddelbart være nyttige i relativt enkle applikationer, som at filtrere drikkevand, og kunne til sidst bruges på de olieagtige forbindelser, der findes i fracking spildevand og andre kraftige forurenende stoffer.

Forskernes metode, beskrevet i et papir, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , muliggør membraner fremstillet af en lang række polymerer og nanopartikler. Ud over antifouling -evner, fremtidige nanopartikler kan katalysere reaktioner med forurenende stoffer, ødelægge dem eller endda konvertere dem til noget nyttigt.

Undersøgelsen blev ledet af Daeyeon Lee, professor i Penn Engineering's afdeling for kemisk og biomolekylær teknik, og Kathleen Stebe, Penn Engineering's stedfortrædende dekan for forskning og Richer &Elizabeth Goodwin professor i kemisk og biomolekylær teknik, sammen med Martin F. Haase, en assisterende professor ved Rowan University, der udviklede teknologien som postdoktor i Stebe og Lees laboratorier. Harim Jeon, Noah Hough, og Jong Hak Kim bidrog også til undersøgelsen.

Forskernes nye metode til fremstilling af membraner er baseret på en specialiseret type flydende blanding kendt som en "bikontinuerlig interfacial fastklemt emulsionsgel, "eller" bijel. "I modsætning til emulsioner, der består af isolerede dråber, både olie- og vandfaserne i bijels består af tæt sammenflettede, men fuldt forbundet netværk. Nanopartikler introduceret til emulsionen finder vej til grænsefladen mellem olie- og vandnetværk.

Lee, Stebe og Haase har tidligere udtænkt en ny måde at lave bijels på, der giver mulighed for et større udvalg af komponentmaterialer, som de beskrev i et 2015 Advanced Materials -papir. Nu, de har vist en måde at lave et solidt filter ved hjælp af den samme metode.

"Vi vidste, at denne teknologi havde løfte, "Sagde Stebe." Noget af det løfte bliver nu opfyldt. "

Som med deres tidligere juveler, dette filter begynder som et sammenflettet netværk af vand og olie, med et tæt lag af nanopartikler, der adskiller de to. Men ved at bruge en olie, der kan polymeriseres med UV-lys-tværbinder frit flydende individuelle molekyler til et fast stof, 3D -mesh - forskerne er nu i stand til at størkne strukturen af ​​bijelen.

Kritisk, denne metode efterlader det tætte lag af nanopartikler på plads på polymerens overflade, efter at vandet er blevet strømmet væk. Konventionelle måder at fremstille polymermembraner tillader ikke dette.

"Polymer hader typisk partikler og vil skubbe dem ud, men grænseflader elsker partikler og fanger dem, "Sagde Stebe." Tætheden af ​​nanopartikler på overfladen af ​​vores polymerer er gennem taget. De sidder fast som sand i et sandslot. "

Forskerne gennemsyrede deres filtre med silica nanopartikler, og formede dem til halmlignende rør. Silica nanopartikler kan modificeres med en lang række kemikalier med forskellige funktionaliteter, herunder den antifouling -egenskab, som forskerne testede. De demonstrerede både deres filtrerings- og antifouling -evner på vand, der indeholder guld -nanopartikler i forskellige størrelser.

"I vores eksperiment, vi var i stand til at filtrere meget små nanopartikler af guld, i størrelser svarende til vira, "sagde Lee." Rørformen fungerer også godt ved stor implementering af disse filtermembraner. Fordi de har store forhold mellem overfladeareal og volumen og ikke bliver tilstoppede, vi kan trække væske ind fra siderne og suge det ud fra enden, muliggør kontinuerlig filtrering. "

"Membraner er typisk passive materialer, der ikke tilpasser deres egenskaber, når miljøforholdene ændrer sig, "sagde Haase." Et spændende aspekt ved vores membraner er, at de kan fås til at åbne og lukke deres porer som reaktion på et kemisk signal. Denne unikke funktion gør det muligt for membranen at have kontrollerbar permeabilitet, hvilket er nyttigt til adskillelse af forskellige typer forurenende stoffer fra vand. "

Lee er også medforstander på Penn Engineering's REACT, eller forskning og uddannelse i aktive belægningsteknologier til menneskelige levesteder. Dette tværfaglige program har til formål at forbedre krisecentre, der bruges til katastrofehjælp, og som sådan, Lee har interageret med beredskabspersonale og udstyrsudbydere, såsom ShelterBox.

"Da vi talte med folk på ShelterBox, de sagde, at mere end et telt, hvad folk har brug for er rent vand, "Sagde Lee." REACT kan muligvis gøre disse filtre til en del af et system, der gør begge dele. "

Med flere igangværende flygtningekriser rundt om i verden og millioner stadig uden drikkevand efter orkanen Maria ramte Puerto Rico, betydningen af ​​denne udvikling går ikke tabt på forskerne.

"Der er virkelig mennesker lige nu, der har så meget brug for denne teknologi." sagde Stebe.