Teknik kunne lave bedre membraner til næste generations filtrering og afsaltning

Udledning af drikkevand fra havvand, behandling af spildevand og udførelse af nyredialyse er blot nogle få vigtige processer, der bruger en teknologi kaldet membranfiltrering.

Nøglen til processen er membranfilteret - et tyndt, semi-porøs film, der tillader visse stoffer såsom vand at passere igennem, mens andre adskilles, uønskede stoffer. Men i de sidste 30 år, der har ikke været væsentlige forbedringer i de materialer, der udgør nøglelagene i kommercielt fremstillede membranfiltre.

Nu, UCLA forskere har udviklet en ny teknik kaldet thin-film liftoff, eller T-FLO, til fremstilling af membranfiltre. Fremgangsmåden kunne tilbyde en måde for producenterne at producere mere effektive og energieffektive membraner ved hjælp af højtydende plastik, metal-organiske rammer og kulstofmaterialer. Til dato, begrænsninger i, hvordan filtre fremstilles, har forhindret disse materialer i at være levedygtige i industriel produktion.

En undersøgelse, der beskriver arbejdet, er publiceret i tidsskriftet Nano bogstaver .

"Der er en masse materialer derude, som i laboratoriet kan lave gode adskillelser, men de er ikke skalerbare, " sagde Richard Kaner, UCLAs Dr. Myung Ki Hong professor i materialeinnovation og undersøgelsens seniorforfatter. "Med denne teknik, vi kan tage disse materialer, lave tynde film, der er skalerbare, og gør dem nyttige."

Ud over deres potentiale for at forbedre typer af filtrering, der udføres ved hjælp af den nuværende teknologi, membraner fremstillet ved hjælp af T-FLO kunne muliggøre en række nye former for filtrering, sagde Kaner, som også er en fremtrædende professor i kemi og biokemi, og materialevidenskab og teknik, og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. For eksempel, Teknikken kan en dag gøre det muligt at trække kuldioxid ud af industrielle emissioner - hvilket ville gøre det muligt for kulstoffet at blive omdannet til brændstof eller andre anvendelser, samtidig med at forureningen reduceres.

Filtre som dem, der bruges til afsaltning, kaldes asymmetriske membraner på grund af deres to lag:et tyndt, men tæt "aktivt" lag, der afviser partikler, der er større end en bestemt størrelse, og et porøst "støtte" lag, der giver membranen struktur og tillader den at modstå de høje tryk, der bruges i omvendt osmose og andre filtreringsprocesser. Den første asymmetriske membran til afsaltning blev udtænkt af UCLA-ingeniører i 1960'erne.

Nutidens asymmetriske membraner fremstilles ved at støbe det aktive lag på støttelaget, eller casting af begge samtidigt. Men for at fremstille et aktivt lag ved hjælp af mere avancerede materialer, ingeniører er nødt til at bruge opløsningsmidler eller høj varme - begge dele beskadiger støttelaget eller forhindrer det aktive lag i at klæbe.

I T-FLO teknikken, det aktive lag støbes som væske på en glas- eller metalplade og hærdes for at gøre det aktive lag fast. Næste, et støttelag af epoxy forstærket med stof tilføjes, og membranen opvarmes for at størkne epoxyen.

Brugen af ​​epoxy i støttelaget er innovationen, der kendetegner T-FLO-teknikken - den gør det muligt at skabe det aktive lag først, så det kan behandles med kemikalier eller høj varme uden at beskadige støttelaget.

Membranen nedsænkes derefter i vand for at udvaske de kemikalier, der inducerer porer i epoxyen, og for at løsne membranen fra glasset eller metalpladen.

Endelig, membranen pilles af pladen med et blad — "liftoff", der giver metoden dens navn.

"Forskere over hele verden har demonstreret mange nye spændende materialer, der kan adskille salte, gasser og organiske materialer mere effektivt end industrielt, " sagde Brian McVerry, en UCLA-postdoktor, der opfandt T-FLO-processen og er undersøgelsens medførsteforfatter. "Imidlertid, disse materialer er ofte fremstillet i relativt tykke film, der udfører separationerne for langsomt, eller i små prøver, der er vanskelige at skalere industrielt.

"Vi har demonstreret en platform, som vi tror vil gøre det muligt for forskere at bruge deres nye materialer i et stort, tynd, asymmetrisk membrankonfiguration, kan testes i applikationer fra den virkelige verden."

Forskerne testede en membran fremstillet ved hjælp af T-FLO til at fjerne salt fra vand, og det viste lovende for at løse et af de almindelige problemer inden for afsaltning, hvilket er, at mikrober og andet organisk materiale kan tilstoppe membranerne. Selvom tilsætning af klor til vandet kan dræbe mikroberne, kemikaliet får også de fleste membraner til at nedbrydes. I undersøgelsen, T-FLO-membranen både afviste saltet og modstod klor.

I andre forsøg, den nye membran var også i stand til at fjerne organiske materialer fra opløsningsmiddelaffald og adskille drivhusgasser.