Filteren en behandelen van water, zowel voor menselijke consumptie als voor het reinigen van industrieel en gemeentelijk afvalwater, is goed voor ongeveer 13% van alle elektriciteit die jaarlijks in de VS wordt verbruikt en stoot ongeveer 290 miljoen ton CO uit ₂ jaarlijks in de atmosfeer terecht - ongeveer gelijk aan het gecombineerde gewicht van elke mens op aarde.

Een van de meest gebruikelijke methoden om water te verwerken, is het door een membraan te leiden met poriën die zo groot zijn dat ze deeltjes eruit filteren die groter zijn dan watermoleculen. Echter, deze membranen zijn gevoelig voor "fouling, " of verstopping door de materialen die ze zijn ontworpen om uit te filteren, er is meer elektriciteit nodig om het water door een gedeeltelijk verstopt membraan te dwingen en frequente vervanging van het membraan, die beide de waterbehandelingskosten verhogen.

Nieuw onderzoek van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University en medewerkers van de Northeastern University en de University of Waterloo toont aan dat de vloeistof-gated membranen (LGM's) van Wyss nanokleideeltjes uit het water filteren met een tweevoudig hogere efficiëntie, bijna driemaal langere time-to-foul, en een verlaging van de druk die nodig is voor filtratie over conventionele membranen, een oplossing bieden die de kosten en het elektriciteitsverbruik van industriële processen met een hoge impact, zoals olie- en gasboringen, zou kunnen verminderen. Het onderzoek wordt gerapporteerd in APL-materialen .

"Dit is de eerste studie die aantoont dat LGM's duurzame filtratie kunnen bereiken in omgevingen die vergelijkbaar zijn met die in de zware industrie, en het geeft inzicht in hoe LGM's weerstand bieden aan verschillende soorten vervuiling, die kunnen leiden tot hun gebruik in verschillende waterverwerkingsomgevingen, " zei eerste auteur Jack Alvarenga, een onderzoekswetenschapper aan het Wyss Institute.

LGM's bootsen het gebruik van met vloeistof gevulde poriën in de natuur na om de beweging van vloeistoffen te regelen, gassen en deeltjes door biologische filters met de laagst mogelijke hoeveelheid energie, net zoals de kleine huidmondjes in de bladeren van planten gassen doorlaten. Elke LGM is gecoat met een vloeistof die fungeert als een omkeerbare poort, het vullen en afdichten van de poriën in de "gesloten" toestand. Wanneer er druk op het membraan wordt uitgeoefend, de vloeistof in de poriën wordt naar de zijkanten getrokken, open maken, met vloeistof beklede poriën die kunnen worden afgesteld om de doorgang van specifieke vloeistoffen of gassen mogelijk te maken, en bestand tegen vervuiling door het gladde oppervlak van de vloeistoflaag. Het gebruik van met vloeistof beklede poriën maakt het ook mogelijk een doelverbinding te scheiden van een mengsel van verschillende stoffen, wat gebruikelijk is in industriële vloeistofverwerking.

Het onderzoeksteam besloot hun LGM's te testen op een suspensie van bentonietklei in water, als zodanig bootsen "nanoklei"-oplossingen het afvalwater na dat wordt geproduceerd door booractiviteiten in de olie- en gasindustrie. Ze infuseerden schijven van 25 mm van een standaard filtermembraan met perfluorpolyether, een soort vloeibaar smeermiddel dat al meer dan 30 jaar in de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt gebruikt, om ze om te zetten in LGM's. Vervolgens plaatsten ze de membranen onder druk om water door de poriën te trekken, maar lieten de nanokleideeltjes achter, en vergeleek de prestaties van onbehandelde membranen met LGM's.

De onbehandelde membranen vertoonden veel sneller tekenen van nanokleivervuiling dan de LGM's, en de LGM's waren in staat om water drie keer langer te filteren dan de standaardmembranen voordat een "terugspoel"-procedure nodig was om deeltjes te verwijderen die zich op het membraan hadden opgehoopt. Minder frequent terugspoelen zou kunnen leiden tot een vermindering van het gebruik van reinigingschemicaliën en van de energie die nodig is om terugspoelwater te verpompen, en de filtratiesnelheid in industriële waterbehandelingsinstellingen te verbeteren.

Hoewel de LGM's uiteindelijk vervuiling ondervonden, ze vertoonden een vermindering van 60% in de hoeveelheid nanoklei die zich tijdens filtratie in hun structuur ophoopte, wat bekend staat als "onomkeerbare vervuiling" omdat het niet wordt verwijderd door terugspoelen. Dit voordeel geeft LGM's een langere levensduur en maakt meer van het filtraat terugwinbaar voor ander gebruik. Aanvullend, de LGM's hadden 16% minder druk nodig om het filtratieproces te starten, weerspiegeld in verdere energiebesparingen.

"LGM's hebben het potentieel voor gebruik in uiteenlopende industrieën zoals voedsel- en drankverwerking, biofarmaceutische productie, textiel, papier, pulp, chemisch, en petrochemische, en zou kunnen zorgen voor verbeteringen in energieverbruik en efficiëntie voor een breed scala aan industriële toepassingen, " zei corresponderende auteur Joanna Aizenberg, doctoraat, die een van de oprichters van de kernfaculteit is van het Wyss Institute en de Amy Smith Berylson Professor of Material Sciences aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard.

De volgende stappen van het team voor het onderzoek omvatten grootschalige pilotstudies met industriële partners, werking op langere termijn van de LGM's, en het filteren van nog complexere mengsels van stoffen. Deze studies zullen inzicht verschaffen in de commerciële levensvatbaarheid van LGM's voor verschillende toepassingen, en hoe lang ze meegaan in een aantal gebruikssituaties.

"Het concept om een ​​vloeistof te gebruiken om andere vloeistoffen te helpen filteren, hoewel misschien niet duidelijk voor ons, komt veel voor in de natuur. Het is prachtig om te zien hoe het op deze manier benutten van de innovatie van de natuur kan leiden tot enorme energiebesparingen, " zei Wyss oprichter Donald Ingber, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan SEAS.