Een team onder leiding van onderzoekers van Imperial College London onderzocht hoe watermoleculen bewegen in een besloten ruimte - in dit geval door een polyamide (PA) membraan dat wordt gebruikt om zout uit zeewater te verwijderen om zoet water te produceren.

De studie kan een aanzienlijke impact hebben op de processen van waterzuivering en ontzilting, die belangrijk zijn voor drinkwater en water dat wordt gebruikt voor industriële processen, ook in de landbouw en energiesystemen.

Eerder werd gedacht dat water zich binnen membranen op een vergelijkbare manier gedraagt ​​als wanneer het niet wordt opgesloten, zoals wanneer water in een glas wordt bewaard, maar dit leek onwaarschijnlijk voor professor Joao Cabral, hoofdauteur van de studie, van Imperial's Department of Chemical Engineering.

Professor Cabral zegt:"Dat leek me gewoon onredelijk - dat een molecuul dat beperkt is tot ruimtes die slechts iets groter zijn dan de grootte van de moleculen zelf, zou bewegen alsof het onbelast was."

Het onderzoeksteam gebruikte een experimentele techniek genaamd quasi-elastische en inelastische neutronenverstrooiing in een kernreactor om de geometrie van de moleculaire bewegingen van het water te meten en meerdere diffusiecoëfficiënten uit te werken - hoe snel het water door het membraanmateriaal diffundeerde.

Hierdoor konden ze begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurde, waarbij onderzoekers de interacties tussen neutronen en een monster meten om de eigenschappen van de watermoleculen te interpreteren.

Professor Cabral merkte op dat dit soort complexe experimenten alleen haalbaar zijn door internationale samenwerking, in dit geval door te werken met experts van het Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankrijk.

De volgende generatie membranen ontwerpen

Het belang van het onderzoek is dat ingenieurs die de volgende generatie membranen voor ontzilting en waterzuivering ontwerpen, hun werk kunnen verankeren met nauwkeurige metingen.

Professor Cabral zei dat "mensen proberen nieuwe materialen te ontwerpen en de manier om dat te doen kan met vallen en opstaan, dus ingenieurs zullen proberen verschillende materialen te combineren totdat ze superieure eigenschappen verkrijgen."

"Die empirische manier heeft zijn loop gehad, omdat de huidige membranen voor grootschalige, industriële ontzilting nog steeds grotendeels gebaseerd zijn op die welke in de jaren zeventig zijn ontwikkeld."

"Het veld heeft een punt bereikt waarop er iets nieuws moet gebeuren."

Een manier om nieuwe materialen te ontwerpen is door computersimulaties te gebruiken, maar deze simulatoren hadden voorheen geen toegang tot rigoureuze experimentele metingen om hun werk te verankeren.

De Imperial-onderzoeker voegde eraan toe dat hun "studie nu iedereen die nieuwe materialen wil bedenken in staat stelt hun werk te verankeren en te valideren met deze zeer nauwkeurige waarden voor hoe snel water over het membraan kan bewegen en met welke mechanismen water door dit plastic kan bewegen blad."

De studie, die ook onderzoekers van University College London en Queen Mary University of London omvatte, werd uitgevoerd met een polyamide (PA) membraan, dus de volgende stap voor het onderzoek zou zijn om het gedrag van watermoleculen in andere membranen te onderzoeken.

Professor Cabral zei dat het onderzoeksteam ook wil kijken hoe de watermoleculen zich gedragen in andere scenario's, zoals wanneer ze onder verschillende drukniveaus worden gezet of wanneer verschillende soorten zouten uit het water worden verwijderd.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

De toekomst van ontzilting? Een snel, efficiënt, selectief membraan voor het zuiveren van zout water