Hvordan laver man et bedre vandfilter? Vend den ud og ind

Mere end 800 millioner mennesker mangler adgang til rent og sikkert vand. Nylige fremskridt inden for vandfiltreringsteknologi har skabt nye måder at filtrere vand på og gøre det drikkeligt, men mange af disse applikationer er for dyre og besværlige til at blive brugt i fjerntliggende dele af verden. Omvendt osmose, for eksempel, kan gøre havvand drikkeligt, men processen er utrolig dyr og kræver en stor mængde energi.

En ny undersøgelse fra laboratoriet i Chinedum Osuji beskriver en ny måde at oprette nanoskala vandfiltre, der er fleksible og robuste, og endda have antimikrobielle egenskaber. Postdocs Xunda Feng, nu på Donghua University, og Yizhou Zhang og kandidatstuderende Qaboos Imran er de første forfattere af dette papir. Deres arbejde blev offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Når du designer et nanoskala filter, ingeniører starter normalt med noget, der ligner en mikroskopisk sil eller en sigte. Vand bevæger sig gennem individuelle huller, der spredes langs silen og holdes sammen af ​​et solidt materiale, der fylder rummet omkring dem.

Osujis gruppe, som inkluderer eksperter i at ændre kemikalierne i blokpolymerer, store kæder af molekyler med store "blokke" af gentagne sekvenser, fandt noget uventet, mens han studerede et andet lignende materiale. Deres opdagelse førte dem til at "vende" deres designstrategi:At gøre "hullerne" i silen til faste fibre, efterlader de tidligere faste dele af strukturen åbne.

"Men hvis du så tager et materiale som dette, hvorfor flyder disse fibriller ikke bare fra hinanden? "spørger Osuji. Gruppen erkendte, at materialet bestod af noget, der ligner et komplekst net af sammenkoblede tråde, eller fibre, men med den vigtige sondring, at rummet mellem fibrene eksplicit blev defineret af strukturen af ​​molekylet, der udgjorde fiberen. De indså, at fiberens tilsyneladende tilfældige "topologiske sammenkobling" holdt strukturen sammen, mens den stadig lod vand strømme igennem.

Ved hjælp af denne nye "omvendte" tilgang, gruppen skabte og testede membraner, bringe ideer ud i livet ved at kombinere unikke nanostrukturer, der er udtænkt af Feng ved hjælp af metoder til fremstilling og karakterisering udviklet af Imran og Zhang. Zhang, som har ekspertise inden for membranfremstilling, sluttede sig til gruppen kort efter Osuji kom til Penn sidste efterår, og Zhang spillede en central rolle i indsamlingen af ​​kritiske transportdata.

"Historisk set har gruppens ekspertise været at manipulere og karakterisere strukturen af ​​materialer, og vi vidste ikke, hvordan vi skulle omsætte det til en rigtig arbejdsmembran, "siger Imran." Vi havde et proof-of-concept, men det tog os noget tid at gøre det til virkelighed, at komme til et punkt, som både membransamfundet og materialefællesskabet kan sætte pris på. "

Materialet, ligner sammensætning til polymerer, der tidligere blev brugt i hårde kontaktlinser, blev også konstrueret med tværbindinger mellem individuelle fibre for at tilføre understøttelse til materialet. Polymeren indeholder også kemiske strukturer, der giver filteret antimikrobielle egenskaber, hvilket betyder, at materialet ikke bliver tilstoppet af bakterier under vandrensning.

Gruppen studerer nu nye processer til fremstilling af materialet, så det kan være tyndt nok til at passe ind i den eksisterende nanofiltrerings -arbejdsgang. De ser også denne tilgang som nyttig til fremtidige applikationer ud over vandfiltrering. "I sidste ende, dette er et præcist struktureret porøst materiale med alsidig overfladekemi, så du kunne forestille dig mange applikationer, "siger Imran." Det kan være en membran i en brændselscelle eller i et batteri. "

For Zhang, virkningen af ​​deres seneste undersøgelse stammer fra, hvad de lærte om selve materialet i processen med at karakterisere det. "Dette er en ny nanostruktur for membraner, og det er spændende at have foreslået det og demonstreret dets anvendelighed. Det er også spændende, fordi strukturen kan udnyttes i applikationer ud over nanofiltrering, " han siger.

Osuji er også ivrig efter at se, hvordan deres unikke, inverteret tilgang kan blive brugt i fremtiden. "Ved første inspektion, det er denne uventede idé, at du kan lave membraner ved hjælp af denne form for tilgang. Når du forstår det, du kan bare ændre kemien, målrette mod forskellige applikationer, så jeg håber, at andre vil følge denne tilgang, " han siger.

Med hensyn til vandrensning, Osuji håber at se nanofiltrering blive bredere vedtaget som en måde at fjerne skadelige kemikalier uden omkostninger forbundet med andre teknikker. "Omvendt osmose er højt udviklet og meget effektiv til at fjerne alle undtagen de mest udfordrende forurenende stoffer, men der er steder, hvor det ikke er omkostningseffektivt, såsom ved behandling af brakvand, behandling af industrielt spildevand før udledning eller blødgøring af vand. Der er en mulighed for at skubbe disse nye membraner ind i disse regimer, " han siger.