Onderzoekers van Argonne hebben de levensvatbaarheid van een nieuwe techniek voor membranen aangetoond.

Of het nu gaat om kraanwater of een kopje koffie, bijna alles wat we drinken gaat door een soort filter. Het vermogen om vloeistoffen op deze manier te transformeren is essentieel voor het dagelijks leven, toch rust het vaak op relatief delicate membranen die snel kunnen verstoppen of degraderen.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ontwerpen manieren om membranen te behandelen, zodat ze vloeistoffen beter kunnen filteren en bestand zijn tegen degradatie door industriële verwerkingschemicaliën en biofoulants. Argonne's gepatenteerde sequentiële infiltratiesynthese (SIS)-techniek kan een membraan van binnenuit fundamenteel veranderen, waardoor veel meer controle over de chemische samenstelling en poriegrootte mogelijk is.

SIS heeft belofte getoond voor de productie van halfgeleiders, optische coatings en sponzen die olievlekken opruimen. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, Onderzoekers van Argonne hebben de levensvatbaarheid van de techniek voor membranen aangetoond.

Voor het eerst bedacht in 2010 door onderzoekers van Argonne, SIS is een neef van atoomlaagafzetting, of ALD. Beide technieken gebruiken chemische dampen om het grensvlak van een materiaal zoals een membraan te veranderen.

"Maar er is één belangrijke tekortkoming van ALD voor deze toepassing, " zei Seth Darling, directeur van het Institute for Molecular Engineering in Argonne en het Advanced Materials for Energy-Water Systems Energy Frontier Research Center. "Als je poriën in een membraan bedekt met een techniek als ALD, je vernauwt ze."

Dat komt omdat ALD in feite lagen bovenop het membraan toevoegt, waardoor de poriediameters langzaam afnemen - net zoals je de luchtstroom door een ventilatieopening in de muur zou beperken als je erover zou blijven schilderen. ZUS, anderzijds, groeit materiaal in de membraanstructuur zelf, het veranderen van de chemie zonder de porievorm significant te beïnvloeden.

"SIS kan veel van de dingen bereiken die ALD kan bereiken op het gebied van engineering van de interface, "Darling zei, "maar met minimale porievernauwing."

Bijna alle commerciële membranen zijn gemaakt van polymeren - grote moleculen gevormd uit zich herhalende ketens van kleinere moleculen. SIS maakt gebruik van de ruimte tussen die moleculen, het oppervlak van het membraan binnendringen en daarin diffunderen met een anorganisch materiaal. In hun proof of concept, Darling en collega's gebruikten SIS om de "zaden" voor aluminiumoxide te planten en groeiden het in polyethersulfon (PES) ultrafiltratie (UF) membranen, waardoor ze veerkrachtiger zijn zonder afbreuk te doen aan het filtratievermogen. De resultaten zijn op 24 september online gepubliceerd in JOM, het tijdschrift van The Minerals, Metalen en Materials Society.

De SIS-techniek maakt een reeks verbeteringen aan membranen mogelijk:het vermogen om te voorkomen dat vervuilingen zich aan het oppervlak hechten, bijvoorbeeld, of weerstand tegen oplosmiddelen die nodig kunnen zijn in een industriële omgeving, maar conventionele membraanmaterialen zouden oplossen.

De mogelijkheid om membranen op deze manier te ontwerpen, kan helpen om kosten te besparen in waterzuiveringsinstallaties of in de chemische en farmaceutische industrie door de uitvaltijd en de kosten die gepaard gaan met het vervangen van gebruikte membranen te verminderen.

Darling en collega's gebruikten SIS om Oleo Sponge te maken, die olie uit het water haalt. In dat geval, een metaaloxide dat in het oppervlak van de spons groeit, dient als entplaats voor olieminnende moleculen.

"Je kunt je een vergelijkbare strategie voorstellen met membranen, " hij zei, "Waar je op moleculen ent om wat selectiviteit of andere eigenschappen te verlenen waarnaar je op zoek bent."