Avansarea sării maximizează debitul pentru o filtrare mai ieftină a apei

Acest model 3D al unei membrane de desalinizare polimerică arată fluxul de apă – canale argintii, deplasându-se de sus în jos – evitând petele dense de pe membrană și încetinind fluxul. Credit: Imagine a grupului de cercetare Ganapathysubramanian / Iowa State University și Gregory Foss / Texas Advanced Computer Computing

Natura a aflat cum să facă membrane grozave.

Membranele biologice permit obiectelor potrivite să pătrundă în celule în timp ce țin lucrurile greșite. Și, așa cum au observat cercetătorii într-o lucrare publicată recent de revistă ştiinţă, sunt excepționale și ideale pentru munca lor.

Dar nu sunt neapărat ideale pentru munca industrială cu volum mare, cum ar fi împingerea apei sărate printr-o membrană pentru a îndepărta sarea și a face apă proaspătă pentru băut, recoltarea irigațiilor, udarea animalelor sau crearea energie.

Putem învăța din acele membrane biologice de înaltă performanță? Putem aplica strategii de proiectare a naturii omogene membranelor polimerice fabricate? Putem cuantifica ceea ce face ca unele dintre aceste membrane industriale să funcționeze mai bine decât altele?

Cercetători de la Universitatea de Stat din Iowa, Universitatea Penn State, Universitatea Texas din Austin, DuPont Water Solutions și Dow Chemical Co. – condus de Enrique Gomez din Penn State și Manish Kumar din Texas – a folosit microscopie electronică de transmisie și modelare computerizată 3D pentru a căuta răspunsuri.

Baskar Ganapathysubramanian din statul Iowa, Joseph C. și Elizabeth A. Anderlik, profesor de inginerie de la Departamentul de inginerie mecanică și Biswajit Khara, doctorand în inginerie mecanică, și-au contribuit expertiza în matematică aplicată, calculul performanței top și modelare 3D în proiect.

Cercetătorii au descoperit că crearea unei densități de membrană uniformă până la miliardul de nanometri de metru este esențială pentru maximizarea performanței membranelor de filtrare a apei cu osmoză inversă. Descoperirea lor tocmai a fost publicată online de către revistă ştiinţă și va fi coperta ediției tipărite de la 1 ianuarie 2021.

Lucrând cu măsurători la microscopul electronic de transmisie Penn State ale a patru membrane polimerice diferite utilizate pentru desalinizarea apei, inginerii statului Iowa au prezis fluxul de apă prin modele de membrane 3D, permițând o analiză comparativă detaliată a motivului pentru care unele membrane performat mai bine decât alții.

“Simulările au putut excita faptul că membranele care sunt mai uniforme – care nu au” puncte fierbinți “- au un flux uniform și performanțe mai bune”, a spus Ganapathysubramanian. „Ingredientul secret este mai puțină neomogenitate”.

Aruncă o privire la ştiinţă acoperă imaginea pe care cercetătorii statului Iowa au creat-o cu ajutorul Centrului de Calcul Avansat din Texas, Khara a spus: Roșu pe membrană indică apa la presiuni mai mari și cu concentrații mai mari de sare; structura aurie, granulară, asemănătoare unui burete în mijloc, prezintă zone mai dense și mai puțin dense în membrana barierei de sare; canalele de argint arată cum curge apa; iar albastru în partea inferioară indică apă sub presiune mai mică și cu concentrații mai mici de sare.

„Puteți vedea cantități uriașe de modificări ale caracteristicilor fluxului în membranele 3D”, a spus Khara.

Cele mai discutate sunt liniile de argint care arată apa care se mișcă în jurul petelor dense de pe membrană.

„Arătăm cum se schimbă concentrația apei pe membrană.” Ganapathysubramanian a spus despre modelele care necesitau rezolvarea calculelor performante. “Acest lucru este frumos. Nu s-a făcut până acum, deoarece astfel de măsurători 3D detaliate nu erau disponibile și, de asemenea, pentru că astfel de simulări nu sunt neimportante de efectuat.”

Khara a adăugat: „Simulările în sine au reprezentat provocări de calcul, deoarece difuzia într-o membrană neomogenă poate varia cu șase ordine de mărime”.

Deci, lucrarea este finalizată, cheia celor mai bune membrane de desalinizare constă în găsirea modului de măsurare și control pe o scară foarte mică a densității membranelor produse. Inginerii de producție și oamenii de știință din materiale trebuie să facă densitatea uniformă pe membrană, promovând fluxul de apă fără a sacrifica îndepărtarea sării.

Este încă un exemplu de muncă de calcul din laboratorul Ganapathysubramanian care ajută la rezolvarea unei probleme foarte de bază, dar practice.

„Aceste simulări au furnizat o mulțime de informații pentru a înțelege cheia pentru a face membranele de desalinizare mult mai eficiente”, a spus Ganapathysubramanian, a cărui lucrare la proiect a fost susținută parțial de două subvenții de la National Science Foundation.

Referință: 31 decembrie 2020, ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abb8518

Proiectul a fost condus de Enrique Gomez, profesor de inginerie chimică și știință și inginerie de materiale la Penn State State University, și Manish Kumar, profesor asociat de inginerie civilă, arhitectură și mediu la Universitatea Texas din Austin.

De asemenea, de la Universitatea de Stat din Iowa: Biswajit Khara, Baskar Ganapathysubramanian; din Penn State: Tyler Culp, Kaitlyn Brickey, Michael Geitner, Tawanda Zimudzi, Andrew Zydney; de DuPont Water Solutions: Jeffrey Wilbur, Steve Jons; și de Dow Chemical Co. .: Abhishek Roy, Mou Paul.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.