Het vangen van moleculen op speciaal ontworpen poreuze oppervlakken wordt eenvoudiger met een nieuw model dat eerdere theorieën over adsorptie verenigt.

Veel zuiveringshulpmiddelen, van eenvoudige koolstoffilters tot complexe ontziltingsinstallaties, vertrouw op vaste stoffen met miljoenen kleine poriën om verontreinigingen op te vangen en te verwijderen zonder er chemisch aan te binden. Nutsvoorzieningen, een KAUST-team heeft de belangrijkste factoren geïdentificeerd die adsorptie op verschillende soorten poreuze oppervlakken met elkaar verbinden, het oplossen van eeuwenoude problemen met het voorspellen van de opname van onbekende stoffen.

In de vroege jaren 1900, het concept van adsorptie-isothermen ontstond om te beschrijven hoe adsorbentia zich gedragen in de aanwezigheid van gestaag toenemende hoeveelheden moleculen. Deze grafieken hebben verschillende vormen die afhankelijk zijn van oppervlakte-eigenschappen op atoomschaal, bijvoorbeeld of deeltjes in een enkele laag of in meerdere lagen blijven plakken - en werden al snel essentieel voor het ontwerpen en begrijpen van zuiveringsopstellingen. De meeste absorptiemiddelen, chemici gevonden, kon worden gesorteerd in een van de zes isothermen na enkele experimentele metingen.

Echter, moderne absorptiemiddelen met heterogene poriestructuren, zoals metaal-organische raamwerken (MOF's), blijken moeilijker te modelleren. Hoewel deze materialen profiteren van het testen met hoge doorvoer van talrijke monsters, de behoefte aan individuele isothermmetingen vertraagt ​​de ontdekking aanzienlijk - een situatie die werd ervaren door professor Kim Choon Ng van het waterontziltings- en hergebruikcentrum van KAUST.

"We werkten aan het verbeteren van de behandeling van zeewater, en het gebruik van isothermen was erg vervelend, " zegt Ng. "Iedereen moest zijn eigen trial-and-error-werk doen voor bepaalde toepassingen, en er was geen echte theorie om mensen te helpen absorberende materialen te ontwerpen."

Met onderzoekers Muhammad Burhan en Muhammad Shahzad, Ng wilde uitzoeken hoe de verschillende isothermen kunnen worden gecombineerd tot één universeel model. Ze stelden voor om oppervlakken met porievariaties op nanometerschaal op te delen in kleine stukjes die gastmoleculen adsorberen onder vergelijkbare thermodynamische en kinetische omstandigheden. Door een waarschijnlijkheidsfactor in te voeren om de energieverdeling van elke patch te definiëren, het team creëerde een wiskundige functie die in staat is om significante kenmerken van adsorberende oppervlakken te detecteren.

Vergelijkingen tussen voorspellingen gegenereerd door het universele model en literatuurisothermen onthulden de kracht van de nieuwe benadering. Niet alleen kwamen de theoretische gegevens overeen met de gemeten experimenten voor alle zes isothermcategorieën, maar er verschenen meerdere pieken in de energiedistributiegrafieken wanneer heterogene omstandigheden worden gedetecteerd - parameters die van cruciaal belang kunnen zijn voor de ontwikkeling van innovatieve materialen met verfijnde sorptiemogelijkheden.

"Elk adsorbens-adsorbaatpaar heeft zijn eigen specifieke energiedistributiefunctie, waarmee we alle informatie in de isothermen kunnen vastleggen, " legt Ng uit. "Materialenwetenschappers zouden technieken zoals verzuring moeten kunnen gebruiken om de poriegroottes in metaal-organische raamwerken te vergroten en hun energiedistributie te verschuiven om de opname te vergroten."