Een ontziltingsmembraan werkt als een filter voor zout water:duw het water door het membraan, schoon water krijgen dat geschikt is voor de landbouw, energieproductie en zelfs drinken. Het proces lijkt eenvoudig genoeg, maar het bevat complexe fijne kneepjes die wetenschappers al tientallen jaren verbijsterd hebben - tot nu toe.

Onderzoekers uit Penn State, De Universiteit van Texas in Austin, Staatsuniversiteit van Iowa, Dow Chemical Company en DuPont Water Solutions publiceerden een belangrijke bevinding om te begrijpen hoe membranen mineralen uit water filteren, online vandaag (31 december) in Wetenschap . Het artikel zal te zien zijn op de omslag van de gedrukte editie, wordt morgen (1 januari) uitgegeven.

"Ondanks het vele jaren gebruik, er is veel dat we niet weten over hoe waterfiltratiemembranen werken, " zei Enrique Gomez, hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde en techniek aan Penn State, die het onderzoek leidde. "We ontdekten dat hoe je de dichtheidsverdeling van het membraan zelf op nanoschaal regelt, echt belangrijk is voor de prestaties van de waterproductie."

Mede geleid door Manish Kumar, universitair hoofddocent bij de afdeling Civiel, Architectural and Environmental Engineering aan de UT Austin, het team gebruikte multimodale elektronenmicroscopie, die de gedetailleerde beeldvorming op atomaire schaal combineert met technieken die de chemische samenstelling onthullen, om te bepalen dat ontziltingsmembranen inconsistent zijn in dichtheid en massa. De onderzoekers brachten de dichtheidsvariaties in polymeerfilm in drie dimensies in kaart met een ruimtelijke resolutie van ongeveer één nanometer - dat is minder dan de helft van de diameter van een DNA-streng. Volgens Gomez, deze technologische vooruitgang was de sleutel tot het begrijpen van de rol van dichtheid in membranen.

"Je kunt aan je oog zien hoe sommige plaatsen min of meer dicht zijn in een koffiefilter, " zei Gomez. "In filtratiemembranen, het ziet er gelijk uit, maar het is niet op nanoschaal, en hoe je die massaverdeling regelt, is echt belangrijk voor de prestaties van waterfiltratie."

Dit was een verrassing, Gomez en Kumar zeiden:omdat eerder werd gedacht dat hoe dikker het membraan, hoe minder waterproductie. Filmtec, nu onderdeel van DuPont Water Solutions, die tal van ontziltingsproducten maakt, werkte samen met de onderzoekers en financierde het project omdat hun interne wetenschappers ontdekten dat dikkere membranen eigenlijk meer doorlaatbaar bleken te zijn.

De onderzoekers ontdekten dat de dikte er niet zoveel toe doet als het vermijden van zeer dichte nanoschaalgebieden, of 'dode zones'. In zekere zin, een meer consistente dichtheid door het hele membraan is belangrijker dan dikte voor het maximaliseren van de waterproductie, volgens Gomez.

Dit inzicht zou de membraanefficiëntie met 30% tot 40% kunnen verhogen, volgens de onderzoekers wat resulteert in meer water gefilterd met minder energie - een potentiële kostenbesparende update van de huidige ontziltingsprocessen.

"Omgekeerde osmosemembranen worden zo veel gebruikt voor het reinigen van water, maar er is nog veel dat we niet over hen weten, " zei Kumar. "We konden niet echt zeggen hoe water er doorheen beweegt, dus alle verbeteringen van de afgelopen 40 jaar zijn in wezen in het donker gedaan."

Omgekeerde osmose membranen werken door aan één kant druk uit te oefenen. De mineralen blijven daar, terwijl het water er doorheen stroomt. Hoewel efficiënter dan niet-membraan ontziltingsprocessen, dit kost nog steeds enorm veel energie, zeiden de onderzoekers, maar het verbeteren van de efficiëntie van de membranen zou die belasting kunnen verminderen.

"Zoetwaterbeheer wordt wereldwijd een cruciale uitdaging, " zei Gomez. "Tekorten, droogtes - met toenemende ernstige weerspatronen, de verwachting is dat dit probleem nog groter zal worden. Het is van cruciaal belang om schoon water beschikbaar te hebben, vooral in gebieden met weinig middelen."

Het team blijft de structuur van de membranen bestuderen, evenals de chemische reacties die betrokken zijn bij het ontziltingsproces. Ze onderzoeken ook hoe ze de beste membranen kunnen ontwikkelen voor specifieke materialen, zoals duurzame maar taaie membranen die de vorming van bacteriegroei kunnen voorkomen.

"We blijven onze technieken pushen met hoogwaardigere materialen met als doel de cruciale factoren van efficiënte filtratie op te helderen, ' zei Gomez.