Zorgvuldige monstervoorbereiding, elektronentomografie en kwantitatieve analyse van 3D-modellen biedt unieke inzichten in de binnenstructuur van omgekeerde osmosemembranen die veel worden gebruikt voor de ontzilting van zout water, afvalwaterrecycling en thuisgebruik, volgens een team van chemische ingenieurs.

Deze omgekeerde osmose membranen zijn lagen materiaal met een actieve aromatische polyamide laag die watermoleculen doorlaat, maar schermt 99 tot 99,9 procent van het zout uit.

"Naarmate de waterstress blijft toenemen, betere membraanfiltratiematerialen zijn nodig om de waterterugwinning te verbeteren, vervuiling voorkomen, en de levensduur van de filtermodule verlengen met behoud van redelijke kosten om de toegankelijkheid over de hele wereld te garanderen, " zei Enrique Gomez, hoogleraar chemische technologie, Penn State. "Weten hoe het materiaal er van binnen uitziet, en begrijpen hoe deze microstructuur de eigenschappen van watertransport beïnvloedt, is cruciaal voor het ontwerpen van membranen van de volgende generatie met een langere operationele levensduur die onder uiteenlopende omstandigheden kunnen functioneren."

Gomez en zijn team keken naar de interne structuur van de polyamidefilm met behulp van hoge-hoek ringvormige donkere veld scanning transmissie-elektronenmicroscopie (HAADF-STEM) tomografie. De beeldintensiteit van HAADF-STEM is recht evenredig met de dichtheid van het materiaal, waardoor het in kaart brengen van het materiaal tot resolutie op nanoschaal mogelijk is.

"We ontdekten dat de dichtheid van de polyamidelaag niet homogeen is, " zei Gomez. "Maar in plaats daarvan varieert de hele film en, in dit geval, is het hoogst aan de oppervlakte."

Deze ontdekking verandert de manier waarop de ingenieurs denken over hoe water door dit materiaal beweegt, omdat de stromingsweerstand niet homogeen is en het hoogst is aan het membraanoppervlak.

Met HAADF-STEM konden de onderzoekers 3D-modellen van de interne structuur van het membraan construeren. Met deze modellen ze kunnen de structurele componenten analyseren en bepalen welke kenmerken moeten blijven om het membraan te laten functioneren en welke kunnen worden gemanipuleerd om de levensduur van het membraan te verbeteren, antifouling, en de waterterugwinning te verbeteren.

Een ander kenmerk dat door HAADF-STEM werd onthuld, was de aanwezigheid, of liever afwezigheid, van eerder gemelde ingesloten holtes. Onderzoekers dachten dat de fijne structuur van de membranen ingesloten lege ruimtes zou bevatten die water zouden kunnen vasthouden en stromingspatronen zouden kunnen veranderen. De 3D-modellen laten zien dat er weinig gesloten holtes zijn in het onderzochte state-of-the-art materiaal.

"Lokale variaties in porositeit, dichtheid en oppervlakte zullen leiden tot heterogeniteit in flux binnen membranen, zodat het verbinden van chemie, microstructuur en prestaties van membranen voor omgekeerde osmose, ultrafiltratie, virus- en eiwitfiltratie, en gasscheidingen vereisen 3D-reconstructies van technieken zoals elektronentomografie, " melden de onderzoekers in een recent nummer van Proceedings van de National Academy of Sciences .

De onderzoekers willen de resolutie van deze techniek naar beneden 1 nanometer resolutie duwen.

"We weten niet of er sub nanometer poriën in deze materialen bestaan ​​en we willen onze technieken kunnen pushen om te zien of deze kanalen bestaan, " zei Gomez. "We willen ook in kaart brengen hoe stroming door deze materialen beweegt om direct te verbinden hoe de microstructuur de waterstroom beïnvloedt, door het membraan te markeren of te kleuren met speciale verbindingen die door het membraan kunnen stromen en in de elektronenmicroscoop kunnen worden gevisualiseerd."