Carbon nanorør udviklet til super effektiv afsaltning

Membranadskillelser er blevet afgørende for menneskets eksistens, med intet bedre eksempel end vandrensning. Efterhånden som vandknaphed bliver mere almindelig, og samfund begynder at løbe tør for billigt tilgængeligt vand, de skal supplere deres forsyninger med afsaltet vand fra havvand og brakvandskilder.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har skabt carbon nanorør (CNT) porer, der er så effektive til at fjerne salt fra vand, at de kan sammenlignes med kommercielle afsaltningsmembraner. Disse bittesmå porer er kun 0,8 nanometer (nm) i diameter. Sammenlignet med, et menneskehår er 60, 000 nm på tværs. Forskningen vises på forsiden af ​​tidsskriftets 18. september-udgave Videnskabens fremskridt .

Den dominerende teknologi til at fjerne salt fra vand, omvendt osmose, bruger tyndfilmskomposit (TFC) membraner til at adskille vand fra ionerne i saltvandsfødestrømme. Imidlertid, der er stadig nogle grundlæggende præstationsproblemer. For eksempel, TFC-membraner er begrænset af afvejningen mellem permeabilitet og selektivitet og har ofte utilstrækkelig afvisning af nogle ioner og spormikroforurenende stoffer, kræver yderligere rensningstrin, der øger energien og omkostningerne.

Biologiske vandkanaler, også kendt som aquaporiner, give en plan for de strukturer, der kunne tilbyde øget ydeevne. De har en ekstremt smal indre pore, der presser vand ned til en enkeltfilskonfiguration, der muliggør ekstrem høj vandgennemtrængelighed, med transporthastigheder på over 1 milliard vandmolekyler i sekundet gennem hver pore.

"Carbon nanorør repræsenterer nogle af de mest lovende stilladsstrukturer til kunstige vandkanaler på grund af vandets lave friktion på deres glatte indre overflader, som efterligner de biologiske vandkanaler, " sagde Alex Noy, LLNL kemiker og en ledende medforfatter af rapporten.

Holdet udviklede CNT-poriner (CNTP'er) - korte segmenter af CNT'er, der selv indsættes i biomimetiske membraner - som danner kunstige vandkanaler, der efterligner aquaporin-kanalfunktionalitet og intrakanal-enkelt-vandsarrangement. Forskere målte derefter vand- og chloridiontransport gennem CNTP'er med en diameter på 0,8 nm ved hjælp af fluorescensbaserede assays. Computersimuleringer og eksperimenter ved hjælp af CNT-porer i lipidmembraner demonstrerede mekanismen for øget flow og stærk ionafvisning gennem indre kanaler af kulstofnanorør.

"Denne proces gjorde det muligt for os at bestemme den nøjagtige værdi af vand-salt permselektivitet i smalle CNT-porer, " sagde LLNL-materialeforsker og hovedmedforfatter Tuan Anh Pham, der ledede undersøgelsens simuleringsindsats. "Atomistiske simuleringer giver en detaljeret molekylær-skala visning af vand, der kommer ind i CNTP-kanalerne og understøtter aktiveringsenergiværdierne."