Met waterschaarste een kritieke uitdaging over de hele wereld, wetenschappers en ingenieurs zoeken naar nieuwe manieren om gezuiverd water uit onconventionele bronnen te winnen, zoals zeewater of zelfs afvalwater.

Een van die onderzoekers is Tiezheng Tong, een assistent-professor bij de afdeling Civiele en Milieutechniek, wiens lab een opkomende technologie bestudeert, membraandestillatie genaamd.

Membraandestillatie omvat een dunne, waterafstotend membraan dat gebruik maakt van dampdrukverschillen tussen hetere onzuivere vloeistoffen, genaamd "voedingswater, " en kouder gezuiverd water, genaamd "doordringen". Tijdens het proces, waterdamp gaat door het membraan en wordt gescheiden van het zoute of vuile voedingswater. Volgens Tong, membraandestillatie werkt beter dan andere technologieën zoals omgekeerde osmose, die geen extreem zout water kan behandelen, zoals ontziltingspekel of geproduceerd water van hydrofracturering.

Hoewel het een belofte inhoudt, membraandestillatie werkt niet perfect. Een belangrijke uitdaging is het ontwerpen van membranen om water efficiënt te zuiveren en tegelijkertijd te zorgen voor nulverontreiniging van het schone water.

Tong en materiaalwetenschapper Arun Kota van de afdeling Werktuigbouwkunde bundelden hun krachten om de fundamentele wetenschap achter het ontwerpen van dat perfecte membraan te achterhalen. In nieuwe experimenten beschrijven ze in Natuurcommunicatie , de CSU-onderzoekers bieden nieuwe informatie waarom bepaalde membraanontwerpen die bij membraandestillatie worden gebruikt, beter werken dan andere.

"De fundamentele kennis van ons artikel verbetert het mechanistische begrip van het waterdamptransport in microporeuze substraten en heeft het potentieel om het toekomstige ontwerp van membranen die worden gebruikt bij membraandestillatie te sturen, ' zei Tong.

Bij membraandestillatie, het voedingswater wordt verwarmd, het scheiden van de zuivere en onzuivere componenten door verschillen in vluchtigheid. Het microporeuze membraan is een belangrijk onderdeel van de opstelling omdat het waterdamp doorlaat, maar niet de hele onzuivere vloeistof. Typisch, het membraan is gemaakt van een "hydrofoob, " of waterafstotend, materiaal om alleen de waterdamp door te laten, maar een barrière voor het voedingswater te behouden.

Echter, deze hydrofobe membranen kunnen falen, omdat het voedingswater zoals water uit schalieolie, kan een lage oppervlaktespanning hebben. Door deze lage oppervlaktespanning kan het voedingswater door de membraanporiën lekken, het zuivere water aan de andere kant vervuilen - een fenomeen dat membraanbevochtiging wordt genoemd.

Eerder onderzoek had onthuld dat het gebruik van "omnifobe" membranen - membranen die alle vloeistoffen afstoten, inclusief water en vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning - houd de damp/waterscheiding intact. Maar, omnifobe membranen vertragen typisch de snelheid en hoeveelheid waterdamp die door het membraan gaat, drastisch verminderen van de efficiëntie van het hele proces.

De CSU-onderzoekers wilden ontdekken waarom deze afweging tussen hydrofobe versus omnifobe membranen bestaat. Door systematische experimenten in het lab onder leiding van postdoctoraal onderzoekers Wei Wang in het lab van Kota, en Tong's afgestudeerde student Xuewei Du, ze ontdekten dat conventionele hydrofobe membranen een groter vloeistof-damp grensvlak creëren. Dit verhoogt de hoeveelheid verdamping die plaatsvindt. Met de omnifobe membranen, ze zagen een veel kleinere vloeistof-damp-interface. Dit verklaart het verschil tussen de prestaties van de membranen.

De omnifobe membranen die in de experimenten werden gebruikt, zijn gemaakt zonder extra deeltjes af te zetten. Zo konden de onderzoekers vaststellen dat hun waarnemingen niet het gevolg waren van structurele veranderingen aan de membranen.

Hoewel ze geen oplossing boden voor de afweging, hun inzichten onthullen de kernuitdaging om van membraandestillatie een succesvolle technologie te maken. "Als je het probleem goed begrijpt, dan is er ruimte om het op te lossen, " zei Kota. "We hebben het mechanisme geïdentificeerd; nu moeten we het afwegingsprobleem oplossen."

Bijvoorbeeld, slimme membranen met uitzonderlijke omnifobiciteit en tegelijkertijd een groot grensvlak tussen vloeistof en damp kunnen membraandestillatie tot een robuust en kosteneffectief proces voor waterzuivering maken. Meer gezamenlijk onderzoek is door het team geïnitieerd om dergelijke slimme membranen te ontwerpen, met als doel de efficiëntie van membraandestillatie te verhogen.

Tong voegde eraan toe dat het onderzoek plaatsvond op het grensvlak van twee disciplines:oppervlaktewetenschap en membraantechnologie.

"Arun and I utilized our complementary expertise to systematically conduct this work, " Tong said. "It is an example of good interdisciplinary collaboration across campus."