Fremtiden for afsaltning? En hurtig, effektiv, selektiv membran til rensning af saltvand

Vandknaphed er et voksende problem rundt om i verden. Afsaltning af havvand er en etableret metode til at producere drikkevand, men kommer med enorme energiomkostninger. For første gang bruger forskere fluorbaserede nanostrukturer til med succes at filtrere salt fra vand. Sammenlignet med nuværende afsaltningsmetoder virker disse fluorholdige nanokanaler hurtigere, kræver mindre tryk og mindre energi og er et mere effektivt filter.

Hvis du nogensinde har lavet mad med en nonstick teflonbelagt stegepande, så har du sikkert set den måde, hvorpå våde ingredienser let glider rundt om den. Dette sker, fordi nøglekomponenten i Teflon er fluor, et letvægtselement, der er naturligt vandafvisende eller hydrofobisk. Teflon kan også bruges til at fore rørledninger for at forbedre strømmen af ​​vand. En sådan adfærd fangede opmærksomheden hos lektor Yoshimitsu Itoh fra Institut for Kemi og Bioteknologi ved University of Tokyo og hans team. Det inspirerede dem til at udforske, hvordan rør eller kanaler lavet af fluor kan fungere på en helt anden skala, nanoskalaen.

"Vi var nysgerrige efter at se, hvor effektiv en fluorholdig nanokanal kan være til selektivt at filtrere forskellige forbindelser, især vand og salt. Og efter at have kørt nogle komplekse computersimuleringer, besluttede vi, at det var tiden og indsatsen værd at lave en arbejdsprøve, " sagde Itoh. "Der er to hovedmåder at afsalte vand på i øjeblikket:termisk ved at bruge varme til at fordampe havvand, så det kondenserer som rent vand, eller ved omvendt osmose, som bruger tryk til at tvinge vand gennem en membran, der blokerer for salt. Begge metoder kræver meget energi. , men vores test tyder på, at fluorholdige nanokanaler kræver lidt energi og også har andre fordele."

Holdet skabte testfiltreringsmembraner ved kemisk at syntetisere nanoskopiske fluorringe, som var stablet og indlejret i et ellers uigennemtrængeligt lipidlag, der ligner de organiske molekyler, der udgør cellevægge. De lavede flere testprøver med nanoreringer mellem omkring 1 og 2 nanometer. Til reference er et menneskehår næsten 100.000 nanometer bredt. For at teste effektiviteten af ​​deres membraner målte Itoh og teamet tilstedeværelsen af ​​chlorioner, en af ​​saltets hovedkomponenter – den anden er natrium – på hver side af testmembranen.

"Det var meget spændende at se resultaterne på egen hånd. Den mindste af vores testkanaler afviste perfekt indkommende saltmolekyler, og de større kanaler var også stadig en forbedring i forhold til andre afsaltningsteknikker og endda banebrydende kulstof-nanorørfiltre," sagde Itoh. "Den virkelige overraskelse for mig var, hvor hurtigt processen foregik. Vores prøve arbejdede omkring flere tusinde gange hurtigere end typiske industrielle enheder og omkring 2.400 gange hurtigere end eksperimentelle kulstofnanorør-baserede afsaltningsanordninger."

Da fluor er elektrisk negativ, afviser det negative ioner, såsom klor, der findes i salt. Men en ekstra bonus ved denne negativitet er, at den også nedbryder det, der er kendt som vandklynger, i det væsentlige løst bundne grupper af vandmolekyler, så de passerer gennem kanalerne hurtigere. Holdets fluorbaserede vandafsaltningsmembraner er mere effektive, hurtigere, kræver mindre energi at betjene og er lavet til også at være meget enkle at bruge, så hvad er fangsten?

"I øjeblikket er måden, vi syntetiserer vores materialer på, relativt energikrævende i sig selv, men det er noget, vi håber at forbedre i kommende forskning. Og i betragtning af membranernes levetid og deres lave driftsomkostninger, vil de samlede energiomkostninger være meget lavere end med nuværende metoder," sagde Itoh. "Andre skridt, vi ønsker at tage, er selvfølgelig at skalere dette op. Vores testprøver var enkelte nanokanaler, men med hjælp fra andre specialister håber vi på at skabe en membran på omkring 1 meter i diameter om flere år. Sideløbende med disse fremstillingsbekymringer, vi undersøger også, om lignende membraner kan bruges til at reducere kuldioxid eller andre uønskede affaldsprodukter, der frigives af industrien."

Resultaterne er offentliggjort i Science . + Udforsk yderligere

Afsaltning af vand sætter farten op