Meget små porer gør en stor forskel i filtreringsteknologien

Nanoporøse membraner har vist sig at være værdifulde værktøjer til at filtrere urenheder fra vand og adskillige andre applikationer. Der er dog stadig meget arbejde at gøre med at perfektionere deres designs. For nylig har professor Amir Haji-Akbaris laboratorium vist, at præcis hvor de nanostørrelseshuller er placeret på membranen kan gøre en stor forskel. Resultaterne er offentliggjort i ACS Nano .

I de senere år er nanoporøse membraner fremstillet af grafen, polymerer, silicium og andre materialer med succes blevet brugt til at adskille gas, afsaltningsvand, virusfiltrering, elproduktion, gasopbevaring og medicinafgivelse. Men det har vist sig vanskeligt at skabe membraner, der lader alle de rigtige molekyler passere igennem, mens de holder de uønskede ude.

Til afsaltning af vand er det for eksempel afgørende, at membranen har en høj permeabilitet for vand, mens den i tilstrækkelig grad blokerer små ioniske og molekylære opløste stoffer og andre urenheder. Men forskere har fundet ud af, at en forbedring af en membrans permeabilitet ofte kompromitterer dens selektivitet og omvendt.

En lovende tilgang er at optimere kemien og geometrien af ​​isolerede nanoporer for at opnå den ønskede permeabilitet og selektivitet og placere så mange af disse porer som muligt i en nanoporøs membran. Præcis hvordan naboporer påvirker hinanden er dog uklart.

På nanoskala kan molekyler, der interagerer med porevægge, udvise adfærd, der trodser konventionelle teorier. Haji-Akbari laboratoriet undersøgte, om de kunne designe innovative membransystemer med øget præcision og effektivitet ved at finjustere nanoporerne.

Med computersimuleringer fandt Haji-Akbaris forskerhold ud af, at nærhed i nanoskala mellem porer kan have en skadelig indvirkning på vandgennemtrængelighed og saltafvisning. Specifikt skabte de simuleringer af membraner med forskellige mønstre af poreplacering, herunder et sekskantet gitter og et honeycomb-gitter. Det, de fandt, var, at det sekskantede mønster, som tillod større afstand mellem porerne, havde en større permeabilitet/selektivitet end membranen med honeycomb-mønsteret.

Disse effekter afviger fra etablerede teorier, sagde Haji-Akbari.

"Denne antagelse om, at poremodstanden er uafhængig af porens nærhed, er ikke korrekt," sagde Haji-Akbari, assisterende professor i kemi- og miljøteknik. "Det afhænger klart af nærheden."

Deres resultater kaster indsigt i, hvordan disse effekter accelererer bevægelserne af visse ioner gennem membraner, mens de får andre ioner til at decelerere. Yderligere kan det informere om bedre design af nanoporøse membraner til forbedrede separationsprocesser såsom vandafsaltning og andre applikationer.

Flere oplysninger: Brian A. Shoemaker et al., Correlations in Charged Multipore Systems:Impplications for Enhancing Selectivity and Permeability in Nanoporous Membranes, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07489

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Yale University