Voor de eerste keer, een team van onderzoekers van de Stony Brook University en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft de moleculaire structuur onthuld van membranen die worden gebruikt bij omgekeerde osmose. Het onderzoek wordt gerapporteerd in een recent gepubliceerd artikel in ACS-macrobrieven , een tijdschrift van de American Chemical Society (ACS).

Omgekeerde osmose is de toonaangevende methode om brak water of zeewater om te zetten in drinkbaar of drinkwater, en het wordt gebruikt om ongeveer 25 te maken, Volgens de International Water Association wordt er wereldwijd dagelijks 100.000 miljoen liter zoet water verbruikt.

"Het meeste water op aarde bevindt zich in de oceanen en slechts drie procent is zoet water, dus waterzuivering is een essentieel instrument om aan de toenemende vraag naar drinkwater te voldoen, " zei Brookhaven Lab senior wetenschapper Benjamin Ocko. "Omgekeerde osmose is geen nieuwe technologie; echter, de moleculaire structuur van veel van de zeer dunne polymeerfilms die dienen als de barrièrelaag in membranen voor omgekeerde osmose, ondanks het belang ervan, was niet eerder bekend."

De dunne polymeerbarrièrelaag die wordt gebruikt in het membraan voor omgekeerde osmose is semipermeabel. Kleine moleculen zoals water kunnen van de ene kant van het membraan naar de andere gaan, maar andere moleculen, zoals gehydrateerde natrium- of chloride-ionen, kan de barrièrelaag niet passeren. Door deze eigenschap kunnen deze membranen het zout uit de zoutoplossing filteren om drinkwater te maken. Tijdens een commercieel proces van omgekeerde osmose, het zoute water wordt onder druk gezet om het zoete water door het membraan te persen.

Omdat het zeewater door het membraan moet worden geperst, het energieverbruik van omgekeerde osmose-installaties is hoog. Om 100 gallons zoet water te maken met omgekeerde osmose, de energiekosten bedragen ongeveer een kilowattuur, het equivalent van een gloeilamp van 100 watt gedurende 10 uur.

"Zelfs kleine verbeteringen in de prestaties van filtratiemembranen zouden wereldwijd tot enorme energie- en kostenbesparingen leiden, " zei Benjamin S. Hsiao, vooraanstaande professor aan de Stony Brook University. "Daarom, we kijken naar de membranen op moleculair niveau. We willen uitzoeken hoe moleculaire structuur bijdraagt ​​aan zeer efficiënte membranen en deze kennis gebruiken om verbeterde membranen te ontwerpen."

Voor deze metingen is het team maakte een goed gedefinieerde dunne polymeerfilm op het olie/water-grensvlak met behulp van een methode die grensvlakpolymerisatie wordt genoemd, die vergelijkbaar is met het industriële proces. Als een tweecomponenten epoxy, een van de moleculaire componenten wordt aan het water toegevoegd en de andere aan de olie. Op de interface, waar het water en de olie elkaar raken - zoals het grensvlak tussen olie en azijn in saladedressing - reageren de twee moleculaire componenten met elkaar en creëren de zeer dunne polymeerfilm.

"De resulterende dunne film is slechts een duizendste van de dikte van een mensenhaar. Het is ook structureel vergelijkbaar met de dunne barrièrelaag in commerciële omgekeerde osmosemembranen, maar het is veel soepeler " zei Francisco Medellin-Rodriguez, een professor aan de Autonome Universiteit van San Luis Potosi in Mexico. "Om deze dunne films te bestuderen, we hebben ultraheldere röntgenstralen nodig, evenals geavanceerde analytische en simulatietools."

Door gebruik te maken van ultraheldere röntgenstralen van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven, de onderzoekers beginnen de relatie tussen de moleculaire structuur van de membranen en hun effectiviteit te ontrafelen.

Volgens Qinyi Fu, een afgestudeerde student van Stony Brook University en de hoofdauteur van de studie, "Om de moleculaire structuur van de membranen op te lossen, het team bestudeerde de verstrooiingspatronen van röntgenstralen met behulp van een techniek genaamd grazing-incidence wide-angle röntgenverstrooiing bij NSLS-II's Complex Materials Scattering (CMS) en Soft Matter Interfaces (SMI) bundellijnen."

Bij deze techniek, de röntgenstralen raken het membraan onder een kleine hoek en verspreiden zich van het oppervlak. Ze worden vervolgens opgevangen door een detector die het zogenaamde verstrooiingspatroon van de röntgenstralen registreert dat specifiek is voor de moleculaire structuur van het membraan.

"In het verstrooiingspatroon, we kunnen moleculaire pakkingsmotieven identificeren:hoe de naburige moleculen in het polymeer ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt. Een daarvan is het parallelle motief en de tweede is het loodrechte motief, " zei Ocko. "Terwijl beide verpakkingsmotieven aanwezig zijn, het loodrechte pakkingmotief is beter gecorreleerd met optimale filtratie-eigenschappen."

Hsiao heeft toegevoegd, "Onze bevindingen laten ook zien dat de moleculaire structuur bij voorkeur is georiënteerd ten opzichte van het membraanoppervlak. Dit is nogal intrigerend en kan verband houden met hoe de waterroutes in het membraan zijn georiënteerd."

Recenter, het team is begonnen met het bestuderen van omgekeerde osmose-membranen die worden vervaardigd voor commerciële waterzuiveringssystemen. De chemicaliën die worden gebruikt om deze membranen te maken, zijn dezelfde als die werden gebruikt om membraanfilms te maken op de olie/water-interfaces.

"De commerciële processen worden beschermd door bedrijfsgeheimen en de precieze productievoorwaarden zijn niet bekend, "zei Ocko. "Ondanks dit, onze bevindingen tonen aan dat commerciële membranen vergelijkbare structurele eigenschappen vertonen als de modelmembranen die in ons laboratorium zijn gemaakt op het olie/water-grensvlak, inclusief de parallelle en loodrechte motieven en preferentiële moleculaire oriëntatie."

Door veel membraanmaterialen te bestuderen en hun door röntgenstraling bepaalde structurele eigenschappen te vergelijken met hun filtratie-eigenschappen, de wetenschappers verwachten een gedetailleerde structuur-functierelatie te ontwikkelen.

"We hopen dat dit zal helpen bij de ontwikkeling van energiezuinigere membranen voor toekomstige generaties waterfiltratiesystemen, ' zei Hsiao.