Het is een populaire uitdrukking die wordt gebruikt om mensen te beschrijven, dingen, en ideeën die gewoon niet samengaan - 'zoals olie en water'. Behalve dat het niet helemaal waar is. Olie en water kunnen mengen, en kan heel moeilijk zijn om volledig te scheiden wanneer ze bij elkaar worden gebracht. Denk aan milieuvervuiling of afvalwaterzuivering, en je realiseert je al snel dat het scheiden van ongewenste olie om water in een natuurlijke of zuivere staat te herstellen een monumentale taak kan zijn.

In een onderzoekspaper gepubliceerd op 22 maart - de door de Verenigde Naties aangewezen Wereldwaterdag - beschrijven ingenieurs en natuurkundigen van Tufts hoe ze een goedkoop membraan hebben bedacht dat in staat is om snel olie uit water en oliemengsels te filteren zonder dat het membraan vervuild raakt.

De vooruitgang in de materiaalwetenschap zou een game changer kunnen zijn in de strijd tegen vervuiling. Het is algemeen bekend dat met olie verontreinigd water op lange termijn schadelijke effecten kan hebben op dieren in het wild en het milieu. Huidige strategieën om die schade te beperken, zijn onder meer de olie ter plaatse verbranden of mechanische apparaten gebruiken, zoals knallen, skimmers, of absorberend materiaal, om de rommel op te ruimen. In de praktijk zijn deze methoden duur en niet erg effectief, vooral voor het opruimen van grote olielozingen.

"Filtratie is een eenvoudige, energiezuinige waterbehandelingsmethode, en kan een effectieve manier zijn om deze olielozingen op te ruimen, " zei Ayse Asatekin, een assistent-professor aan de Tufts School of Engineering en corresponderende auteur van de studie, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Polymer Materials. "Een scheidingsmembraan is relatief goedkoop en herbruikbaar, en de schoonmaaktechnologie dekt een kleine voetafdruk. Door onze samenwerking, we hebben een nieuw filtermateriaal ontwikkeld dat de scheiding kan uitvoeren en een hoog debiet kan behouden zonder vervuild te raken door ophoping van olie."

Gelukkig, de natuur geeft enkele voorbeelden van materialen die heel verschillend omgaan met water en olie. "Neem het lotusblad, bijvoorbeeld, " zei Ilin Sadeghi, een afgestudeerde technische student in het laboratorium van Asatekin en eerste auteur van de studie. "Het bladoppervlak is hydrofoob, wat betekent dat het water zo effectief weghoudt dat het blad nooit nat wordt - water parelt gewoon op het oppervlak. Maar het is ook erg oleofiel - als we een organische vloeistof zoals olie op het oppervlak plaatsen, het verspreidt zich snel over het blad. Door te modelleren naar de natuur, we kunnen oppervlaktechemie en morfologie ontwikkelen, waterafstotend maken, super-oleofiele filtermaterialen."

Het lotusblad bereikt zijn dubbele gedrag met een combinatie van een wasachtige oppervlaktechemie en een nanogestructureerde textuur op het oppervlak. Het getextureerde oppervlak houdt lucht vast in kleine zakjes, waardoor water moeilijk contact kan maken met het blad vanwege de hoge oppervlaktespanning van water, druppeltjes vormen. Het creëren van een oliefilterend membraan zou een vergelijkbare combinatie van oppervlaktechemie en textuur kunnen gebruiken om olie van water te scheiden.

Vergezeld door professor Peggy Cebe en afgestudeerde student Nelaka Govinna op de afdeling Tufts natuurkunde en astronomie, het onderzoeksteam creëerde een materiaal dat waterafstotende chemie en textuur combineerde met behulp van een techniek die elektrospinning wordt genoemd.

Govinna, die de filtratiemembranen fabriceerde, legt elektrospinnen uit als een techniek die een elektrisch geladen vloeibare polymeerstroom creëert die uit een zeer smalle naald komt. Zoals het uit de naald stroomt, het polymeer droogt op als een fijne draad en zet zich willekeurig af op het doeloppervlak, het creëren van een niet-geweven, poreus web van vezels.

Het polymeer dat ze gebruikten was een chemische keten omringd door fluoratomen, waardoor het waterafstotende eigenschappen heeft, terwijl het willekeurige weefsel lucht vasthoudt zoals het lotusblad om de penetratie van water te minimaliseren. Daarentegen, olieachtige en organische stoffen stromen over het fluorpolymeer en door het membraan.

"We hebben dit membraanmateriaal gemaakt door een gemeenschappelijke polymeermatrix die in filters wordt gebruikt - polyvinylideenfluoride of PVDF - te mengen met een functioneel polymeer; we noemen het PFDMA, "zei Cebe. "We kunnen het gedrag van het filtermembraan veranderen door het functionele polymeer te veranderen."

In dit geval, het type functioneel polymeer gaf de membranen enkele ideale eigenschappen:olie en organische chemicaliën lopen snel door het membraan, tot zeventien keer sneller dan het PVDF-membraan zonder toevoeging, terwijl het water wordt tegengehouden.

De olieverwijderende PVDF-PFDMA-membranen, die olie en organische oplosmiddelen doorlaten, vervuilen niet zoals waterafvoerende membranen vaak doen, en kan daarom worden toegepast op langdurige, toepassingen op industriële schaal. Het gebruik van verschillende additieve polymeren kan de eigenschappen van het filter afstemmen op verschillende toepassingen, van het opruimen van olierampen tot waterzuivering.