Controlul structurii la scară nanomatică a membranelor de desalinizare este cheia apei curate

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

O membrană de desalinizare acționează ca un filtru pentru apa sărată: împingeți apa prin membrană, obțineți apă curată potrivită pentru agricultură, producerea de energie și chiar pentru băut. Procesul pare destul de simplu, dar conține complicații complexe care au nedumerit oamenii de știință de zeci de ani – până acum.

Cercetătorii de la Penn State, Universitatea Texas din Austin, Iowa State University, Dow Chemical Company și DuPont Water Solutions au publicat astăzi (31 decembrie) o descoperire cheie pentru a înțelege cum membranele filtrează mineralele din apă. ÎN ştiinţă. Articolul va apărea pe coperta ediției tipărite, care va fi lansată mâine (1 ianuarie).

„În ciuda utilizării lor de mai mulți ani, nu știm multe despre modul în care funcționează membranele de filtrare a apei”, a declarat Enrique Gomez, profesor de inginerie chimică și știința materialelor și inginerie la Penn State, care a condus cercetarea. “Am constatat că modul în care controlați distribuția densității membranei în sine la nano-scară este cu adevărat important pentru performanța producției de apă.”

Condusă de Manish Kumar, profesor asociat la Departamentul de Inginerie Civilă, Arhitecturală și de Mediu de la UT Austin, echipa a folosit microscopie electronică multimodală, care combină imagistica detaliată la scară atomică cu tehnici care detectează compoziția chimică, pentru a determina care desalinizarea este instabilă ca densitate și masă. Cercetătorii au proiectat modificările de densitate ale filmului de polimer în trei dimensiuni cu o rezoluție spațială de aproximativ un nanometru – adică mai puțin de jumătate din diametrul unui ADN Conform lui Gomez, această avansare tehnologică a fost esențială pentru înțelegerea rolului densității în membrane.

“Puteți vedea cum unele locuri sunt mai mult sau mai puțin dense într-un filtru de cafea chiar de la ochi”, a spus Gomez. “În membranele de filtrare, pare egal, dar nu este la scară nanomatică, iar modul în care controlați distribuția de masă este cu adevărat important pentru performanța filtrării apei.”

Aceasta a fost o surpriză, au spus Gomez și Kumar, deoarece anterior se credea că cu cât membrana este mai groasă, cu atât mai puțină producție de apă. Filmtec, care acum face parte din DuPont Water Solutions, care produce multe produse de desalinizare, a colaborat cu cercetătorii și a finanțat proiectul, deoarece oamenii de știință din interior au descoperit că membranele mai groase ieșeau de fapt mai permeabile.

Cercetatorii au descoperit ca grosimea nu conteaza la fel de mult ca evitarea regiunilor foarte dense la scara nanometrica sau a „zonelor moarte”. Într-un sens, o densitate mai stabilă pe membrană este mai importantă decât grosimea pentru a maximiza producția de apă, potrivit lui Gomez.

Această înțelegere ar putea crește eficiența membranei cu 30% până la 40%, potrivit cercetătorilor, rezultând mai multă apă filtrată cu mai puțină energie – o actualizare potențială de economisire a costurilor la procesele actuale de desalinizare.

“Membranele cu osmoză inversă sunt atât de utilizate pe scară largă pentru purificarea apei, dar există încă multe lucruri pe care nu le știm despre ele”, a spus Kumar. “Nu putem spune cu adevărat cum se mișcă apa prin ele, așa că toate îmbunătățirile din ultimii 40 de ani s-au făcut practic în întuneric”.

Membranele cu osmoză inversă funcționează prin aplicarea de presiune pe o parte. Mineralele rămân acolo când trece apa. Deși este mai eficient decât procesele de decupare fără membrană, necesită totuși o cantitate mare de energie, au spus cercetătorii, dar îmbunătățirea eficienței membranei poate reduce această povară.

„Gestionarea apei dulci devine o provocare esențială la nivel mondial”, a spus Gomez. „Lipsa, seceta – odată cu creșterea tiparelor meteorologice severe, se așteaptă ca această problemă să devină și mai importantă. Este foarte important să aveți la dispoziție apă curată, în special în zonele cu izvoare joase. “

Echipa continuă să studieze structura membranelor, precum și reacțiile chimice implicate în procesul de desalinizare. Ei iau în considerare, de asemenea, cum să dezvolte membrane mai bune pentru materiale specifice, cum ar fi membrane durabile, dar puternice, care pot preveni formarea creșterii bacteriene.

“Continuăm să ne împingem tehnicile cu materiale mai performante pentru a clarifica factorii esențiali ai filtrării eficiente”, a spus Gomez.

Mai multe despre această cercetare:

Referință: „Controlul școlar al neomogenității interne îmbunătățește transportul pe apă la membranele de desalinizare” de către Tyler E. Culp, Biswajit Khara, Kaitlyn P. Brickey, Michael Geitner, Tawanda J. Zimudzi, Jeffrey D. Wilbur, Steven D. Jons, Abhishek Roy, Mou Paul, Baskar Ganapathysubramanian, Andrew L. Zydney, Manish Kumar și Enrique D. Gomez, 31 decembrie 2020, ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abb8518

Alți colaboratori includ primul autor Tyler E. Culp, Kaitlyn P. Brickey, Michael Geitner și Andrew Zydney, toți afiliați la Departamentul de Inginerie Chimică din Penn State; Biswajit Khara și Baskar Ganapathysubramanian, ambele cu Departamentul de Inginerie Mecanică de la Universitatea de Stat din Iowa; Tawanda J. Zimudzi de la Institutul de Cercetare a Materialelor (IRM) din Penn State; Jeffrey D. Wilbur și Steve Jons, ambii cu DuPont Water Solutions; și Abhishek Roy și Mou Paul, ambii cu Dow Chemical Company. Gomez este, de asemenea, asociat cu RMN. Lucrarea microscopică a fost efectuată pe microscopii electronice în laboratorul de caracterizare a materialelor pe RMN. DuPont și National Science Foundation au finanțat cercetarea.

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.