Olie en water staan ​​erom bekend dat ze niet graag volledig met elkaar vermengen. Maar door ze volledig te scheiden, bijvoorbeeld, bij het opruimen van een olielek of het zuiveren van water dat door fracken is verontreinigd - is een duivels moeilijk en inefficiënt proces dat vaak afhankelijk is van membranen die de neiging hebben verstopt te raken, of "vervuild".

Een nieuwe beeldvormingstechniek die aan het MIT is ontwikkeld, zou een hulpmiddel kunnen zijn voor het ontwikkelen van betere membraanmaterialen die vervuiling kunnen weerstaan ​​of voorkomen. Het nieuwe werk wordt beschreven in het tijdschrift Toegepaste materialen en interfaces , in een paper van MIT-afgestudeerde studenten Yi-Min Lin en Chen Song en professor in de chemische technologie Gregory Rutledge.

Het opruimen van oliehoudend afvalwater is in veel industrieën noodzakelijk, inclusief aardolieraffinage, voedselverwerking, en metalen afwerking, en het onbehandelde afval kan schadelijk zijn voor aquatische ecosystemen. Methoden voor het verwijderen van olieachtige verontreinigingen variëren, afhankelijk van de relatieve hoeveelheden olie en water en de grootte van de oliedruppeltjes. Als de olie geëmulgeerd is, de meest efficiënte opruimmethode is het gebruik van membranen die de kleine oliedruppeltjes eruit filteren, maar deze membranen raken snel vervuild door de druppels en vereisen een tijdrovende reiniging.

Maar het aangroeiproces is heel moeilijk waar te nemen, waardoor het moeilijk is om de relatieve voordelen van verschillende materialen en architecturen voor de membranen zelf te beoordelen. De nieuwe techniek die is ontwikkeld door het MIT-team zou dergelijke evaluaties veel gemakkelijker uit te voeren kunnen maken, zeggen de onderzoekers.

Deze filtratiemembranen "zijn vaak moeilijk om naar binnen te kijken, " zegt Rutledge. "Er wordt veel moeite gedaan om nieuwe soorten membranen te ontwikkelen, maar als ze in dienst worden genomen, je wilt zien hoe ze omgaan met het vervuilde water, en ze lenen zich niet voor gemakkelijk onderzoek. Ze zijn meestal ontworpen om zoveel mogelijk membraanoppervlak in te pakken, en naar binnen kunnen kijken is erg moeilijk."

De door hen ontwikkelde oplossing maakt gebruik van confocale laser scanning microscopie, een techniek waarbij twee lasers over het materiaal worden gescand, en op het punt waar de twee balken elkaar kruisen, een materiaal gemarkeerd met een fluorescerende kleurstof zal gloeien. In hun aanpak het team introduceerde twee fluorescerende kleurstoffen, een om het olieachtige materiaal in de vloeistof te markeren, de andere om de vezels in het filtratiemembraan te markeren. Met deze techniek kan het materiaal niet alleen over het membraan worden gescand, maar ook in de diepte van het materiaal, laag voor laag, om een ​​volledig 3D-beeld op te bouwen van de manier waarop de oliedruppels in het membraan worden verspreid, die in dit geval is samengesteld uit een reeks microscopisch kleine vezels.

De basismethode is gebruikt in biologisch onderzoek, om cellen en eiwitten in een monster te observeren, Rutledge legt uit, maar het is niet veel toegepast bij het bestuderen van membraanmaterialen, en nooit met zowel de olie als de vezels gelabeld. In dit geval, de onderzoekers observeren druppeltjes die in grootte variëren van ongeveer 10 tot 20 micron (miljoensten van een meter), tot een paar honderd nanometer (miljardste van een meter).

Tot nu, hij zegt, "methoden voor het afbeelden van porieruimten in membranen waren behoorlijk ruw." Voor het grootste gedeelte, de poriekenmerken werden afgeleid door het meten van stroomsnelheden en drukveranderingen door het materiaal, geeft geen directe informatie over hoe het olieachtige materiaal zich daadwerkelijk in de poriën opbouwt. Met het nieuwe proces hij zegt, "nu kun je de geometrie echt meten, en bouw een driedimensionaal model en karakteriseer het materiaal tot in detail. Dus wat nu nieuw is, is dat we echt kunnen kijken hoe de scheiding in deze membranen plaatsvindt."

Door het zo te doen, en door de effecten te testen met verschillende materialen en verschillende opstellingen van de vezels, "Dit zou ons een beter begrip moeten geven van wat vervuiling werkelijk is, ' zegt Rutte.

Het team heeft al aangetoond dat de interactie tussen de olie en het membraan heel verschillend kan zijn, afhankelijk van het gebruikte materiaal. In sommige gevallen vormt de olie kleine druppeltjes die geleidelijk samensmelten tot grotere druppels, terwijl in andere gevallen de olie zich in een laag langs de vezels uitspreidt, een proces dat bevochtiging wordt genoemd. "De hoop is dat met een beter begrip van het mechanisme van vervuiling, mensen zullen meer tijd kunnen besteden aan de technieken die meer kans van slagen hebben om die vervuiling te beperken, zegt Rutte.

De nieuwe observatiemethode heeft duidelijke toepassingen voor ingenieurs die betere filtratiesystemen proberen te ontwerpen, hij zegt, maar het kan ook worden gebruikt voor onderzoek naar de basiswetenschap van hoe gemengde vloeistoffen op elkaar inwerken. "Nu kunnen we beginnen na te denken over een fundamentele wetenschap over de interactie tussen tweefasige vloeistofstromen en poreuze media, "zegt hij. "Nu, u kunt enkele gedetailleerde modellen van het proces ontwikkelen.

En de gedetailleerde informatie over hoe verschillende structuren of chemie presteren, zou het gemakkelijker kunnen maken om specifieke soorten membranen voor verschillende toepassingen te ontwerpen, afhankelijk van de te verwijderen verontreinigingen, de typische grootte van de druppeltjes in deze verontreinigingen, enzovoort. "Bij het ontwerpen van membranen, het is geen one-size-fits-all, "zegt hij. "Je kunt mogelijk verschillende soorten membranen hebben voor verschillende effluenten."

De methode kan ook worden gebruikt om de scheiding van verschillende soorten mengsels waar te nemen, zoals vaste deeltjes in een vloeistof, of een omgekeerde situatie waarbij de olie dominant is en het membraan wordt gebruikt om waterdruppels uit te filteren, zoals in een brandstoffiltratiesysteem, zegt Rutte.

"Toen ik zijn artikel grondig las, Ik was onder de indruk van Gregs manier om 3D-beeldvorming te gebruiken om het complexe vervuilingsproces in membranen die worden gebruikt voor olie-wateremulsies te begrijpen, " zegt William J. Koros, de Roberto C. Goizueta-leerstoel voor uitmuntendheid in chemische technologie en GRA Eminent Scholar in Membranes aan het Georgia Institute of Technology, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.