Membranteknologi:Ser dybt ind i de mindste porer

Membraner af vertikalt justerede kulstofnanorør (VaCNT) kan bruges til at rense eller afsalte vand ved høj strømningshastighed og lavt tryk. For nylig udførte forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og partnere steroidhormonadsorptionseksperimenter for at studere samspillet mellem kræfter i de små porer.

De fandt ud af, at VaCNT med specifik poregeometri og poreoverfladestruktur er velegnet til brug som meget selektive membraner. Deres undersøgelse er offentliggjort i Nature Communications .

Rent drikkevand er af vital betydning for alle mennesker verden over. Membraner bruges til effektivt at fjerne mikroforurenende stoffer, såsom steroidhormoner, der er sundheds- og miljøskadelige. Et meget lovende membranmateriale er lavet af vertikalt justerede kulstofnanorør (VaCNT).

"Dette materiale er fantastisk - med små porer på 1,7 til 3,3 nanometer i diameter, en næsten perfekt cylindrisk form og lille vridning," siger professor Andrea Iris Schäfer, som leder KIT's Institut for Avanceret Membrane Technology (IAMT). "Nanorørene skal have en meget adsorberende effekt, men kun have en meget lav friktion." I øjeblikket er porerne for store til effektiv tilbageholdelse, men mindre porer er endnu ikke mulige teknisk set.

Samspil mellem kræfter

I eksperimenter med steroidmikroforurenende stoffer undersøgte IAMT-forskere, hvorfor VaCNT-membraner er perfekte vandfiltre. De brugte membraner produceret af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Livermore (Californien). Konstateringen:Den lave adsorption af VaCNT, dvs. aflejring på overfladen, er ønskelig for meget selektive membraner rettet mod specielle stoffer.

Undersøgelsen afslører, at adsorption i membrannanoporer ikke kun afhænger af adsorptionsoverfladen og den begrænsede masseoverførsel, men også af samspillet mellem hydrodynamiske kræfter, friktion og kræfterne til tiltrækning og frastødning ved væske-væg-grænsefladen. Meget vandgennemtrængelige nanoporer udviser lav interaktion på grund af den lille friktion og den høje flowhastighed.

"Når molekylerne ikke fastholdes på grund af deres størrelse, vil interaktion med materialet ofte afgøre, hvad der sker. Molekylerne vil hoppe gennem membranen, ligesom en klatrer klatrer op ad en væg. Dette er meget nemmere, når der er mange gode klatregreb," Schäfer forklarer. Undersøgelser som det udført af IAMT hjælper med at designe poregeometri og poreoverfladestruktur specifikt.

Ti år til at gøre ideen til et eksperiment

Membranerne blev udviklet af Dr. Francesco Fornasiero og hans team på LLNL. Forsøgene med mikroforurenende stoffer blev udført og evalueret ved hjælp af nyeste analyseinstrumenter hos IAMT. "Det tog omkring 10 år at omdanne ideen til et vellykket eksperiment, der har mødt den brede interesse fra membranteknologisamfundet," siger Schäfer.

Fremstilling af sådanne næsten perfekte membraner er ekstremt vanskelig. På større områder på nogle kvadratcentimeter er sandsynligheden for defekter meget stor. Og defekter ville påvirke resultaterne. I de senere år er det lykkedes LLNL at producere membraner på større arealer. Sideløbende byggede IAMT-forskere meget små filtreringssystemer til eksperimenter for at tilbageholde spor forurenende stoffer på to kvadratcentimeter.

"Nedskalering er ekstremt vanskeligt. At have klaret dette sammen er en stor succes," siger Schäfer. "Nu venter vi på udviklingen af ​​membraner med endnu mindre porer."

Undersøgelsen var den første til at fokusere på samspillet mellem hydrodynamiske kræfter, friktion og kræfter til tiltrækning og frastødning. Det giver grundlæggende resultater med hensyn til vandbehandling. Disse kan gavne ultra- og nanofiltreringsprocesser styret af nanoporer.

Flere oplysninger: Minh N. Nguyen et al, Samspil mellem kræfterne, der styrer adsorption af steroidhormon mikroforurenende stoffer i vertikalt justerede kulstofnanorørmembran-nanoporer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44883-2

Leveret af Karlsruhe Institute of Technology