Momenteel, meer dan 300 miljoen mensen over de hele wereld zijn voor een deel of al hun dagelijkse behoeften afhankelijk van ontzilt water. Die vraag zal alleen maar toenemen met een grotere bevolking en een betere levensstandaard over de hele wereld.

Toegang tot de oceanen voor drinkwater, echter, vereist ontziltingstechnologieën die ingewikkeld en duur zijn. De meest gebruikte technologie voor ontzilting is omgekeerde osmose (RO), een proces waarbij zeewater door een membraan wordt geperst dat in staat is om zouten en andere verontreinigingen met kleine moleculen te verwijderen. Terwijl het gebruik van RO over de hele wereld blijft stijgen, veel van zijn nadelen, waaronder een hoog energieverbruik en een neiging tot vervuiling van membranen, blijven de industrie teisteren.

In het huidige nummer van Wetenschap , onderzoekers van de Universiteit van Connecticut bieden een nieuwe benadering van membraanproductie die ons doet nadenken over het ontwerpen en gebruiken van RO-membranen voor ontzilting.

Met behulp van een additieve productiebenadering met behulp van elektrosprayen, UConn-wetenschappers waren in staat om ultradunne, ultragladde polyamidemembranen die minder vatbaar zijn voor vervuiling en mogelijk minder kracht nodig hebben om water er doorheen te verplaatsen.

"De hedendaagse membranen voor omgekeerde osmose zijn niet zo gemaakt dat hun eigenschappen kunnen worden gecontroleerd, " zegt Jeffrey McCutcheon, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en de corresponderende auteur van het artikel. "Onze aanpak maakt gebruik van een 'additief'-techniek die controle mogelijk maakt over de fundamentele eigenschappen van een membraan, zoals dikte en ruwheid, wat momenteel onmogelijk is met conventionele methoden."

Conventionele benaderingen voor het maken van RO-membranen zijn in bijna 40 jaar niet veranderd. De traditionele benadering voor het maken van deze membranen staat bekend als grensvlakpolymerisatie. Deze methode berust op een zelfbeëindigende reactie tussen een amine in de waterige fase en een zuurchloridemonomeer uit de organische fase. De resulterende polyamidefilms - buitengewoon dun, zeer selectief, en doorlatend voor water - werd het gouden standaardmembraan voor RO. Echter, naarmate het veld gevorderd is, de noodzaak om deze reactie beter te beheersen om membranen van verschillende dikte en ruwheid mogelijk te maken om de waterstroom te optimaliseren en vervuiling te verminderen, is dringender geworden.

De methode van UConn biedt een superieur niveau van controle over de dikte en ruwheid van het polyamidemembraan. Typische polyamidemembranen hebben een dikte tussen 100 en 200 nanometer (nm) die niet gecontroleerd kan worden. De elektrospraymethode van UConn zorgt voor de gecontroleerde creatie van membranen zo dun als 15 nm en de capaciteit om de membraandikte te regelen in stappen van 4 nm, een niveau van specificiteit dat op dit gebied nog nooit eerder is vertoond. Hetzelfde, typische RO-membranen hebben een ruwheid van meer dan 80 nm. UConn-onderzoekers waren in staat om membranen te maken met een ruwheid van slechts 2 nm. Ondanks deze unieke eigenschappen, het membraan bleef een hoge zoutafstoting vertonen en was robuust bij gebruik onder drukken die typisch zijn voor RO.

"Onze printbenadering voor het maken van polyamidemembranen heeft als bijkomend voordeel dat het schaalbaar is, " zegt McCutcheon. "Net zoals elektrospinnen dramatische verbeteringen heeft ondergaan in de verwerking van rol-naar-rol, elektrosprayen kan relatief eenvoudig worden opgeschaald."

De auteurs van de studie concluderen ook dat dit type fabricage kan besparen op het verbruik van chemicaliën, aangezien traditionele chemische baden niet nodig zijn als onderdeel van het fabricageproces van het membraan.

"In het labortorium, we gebruiken 95% minder chemische membranen voor het maken van membranen door te printen in vergelijking met conventionele grensvlakpolymerisatie, " zegt McCutcheon, de UConn School of Engineering's Al Geib Professor of Environmental Engineering Research and Education. "Deze voordelen zouden worden vergroot bij grootschalige membraanproductie en het proces "groener" maken dan het de afgelopen 40 jaar is geweest"

Deze innovatieve nieuwe aanpak beperkt zich niet tot ontzilting en zou kunnen leiden tot betere membranen voor andere scheidingsprocessen.

"Deze methode is niet beperkt tot het maken van membranen voor RO." zegt McCutcheon, die naast zijn academische taken ook de uitvoerend directeur is van het Fraunhofer USA Center for Energy Innovation aan de UConn, die gericht is op de ontwikkeling van nieuwe toegepaste membraantechnologieën. "In feite, we hopen dat deze methode het mogelijk zal maken om nieuwe materialen in overweging te nemen voor een groot aantal membraanscheidingsprocessen, misschien in processen waar die materialen niet waren, of niet kon, eerder worden gebruikt."