Allyson McGaughey, opgegroeid in Seattle, USC Viterbi School of Engineering Ph.D. '21, werd nooit geconfronteerd met de dagelijkse realiteit van droogte. In de steeds hetere en drogere woestijn van Los Angeles werd echter de schaarste aan water blootgelegd, waardoor de urgentie om alternatieve wateroplossingen te vinden toenam.

In onderzoek gepubliceerd in het Journal of Membrane Science , McGaughey, in samenwerking met Amy Childress, USC Viterbi Gabilan Distinguished Professor, nieuwe inzichten onthuld over hoe waterzuiveringsprocessen het beste kunnen worden ontworpen, bijvoorbeeld afvalwaterzuivering in een waterbehandelingsfaciliteit, met behulp van membraandestillatie (MD). MD is een proces dat zout van water scheidt met behulp van een dun, droog, poreus membraan. Matige temperatuurverschillen zorgen ervoor dat water van de ene kant naar de andere gaat.

Om dit beter te begrijpen, denk aan een spaghettizeef, maar met veel, veel kleinere gaten. Een waterstroom die door de zeef wordt gegoten, wordt "gereinigd" van bepaalde materialen in het water die te groot zijn om door de gaten van de zeef te gaan (zoals de poriën van een membraan), waardoor een "schone" stroom aan de andere kant van de zeef achterblijft. Toch kan alles wat kleiner is dan die gaten - zoals het opgeloste zout in ons pastawater - er nog steeds doorheen komen. Om nog verder te zuiveren, wat als we alleen de stoom of pure waterdamp zouden kunnen verzamelen? Stel je nu een zeef voor die alleen stoom, geen vloeibaar water, door de gaten laat. Dan kunnen zelfs opgeloste zouten er niet doorheen komen. Door een zeer hydrofoob (waterafstotend) membraan te gebruiken dat precies dat doet, kan MD worden gebruikt om zuiver, ontzilt water uit verontreinigde stromen te extraheren.

Het succes van membraandestillatie, aldus de onderzoekers, is grotendeels afhankelijk van membraanontwerpen die vochtophoping in het membraan kunnen verminderen of elimineren. Als een membraan nat wordt, aldus de onderzoekers, kan het zijn werkzaamheid verliezen, waardoor de kwaliteit van het behandelde water in gevaar komt. Hiertoe bestudeerde McGaughey, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University, hoe membranen het beste kunnen worden ontworpen zodat ze niet te nat worden en met succes water behandelen, zout en verontreinigingen elimineren en een hoogwaardige of zuivere uitstroom creëren.

Een van hun belangrijkste bevindingen, zei McGaughey, is dat het verkleinen van de poriëngrootte van het membraan of het vergroten van de dikte van het membraan zelf de waterbestendigheid kan verhogen en verontreiniging van de gezuiverde waterstroom kan vertragen of voorkomen.

Membranen zijn meestal gemaakt van een hydrofoob of waterbestendig synthetisch materiaal met poriën van 0,1 tot 0,5 micrometer klein. McGaughey zei dat terwijl andere processen doorgaans energiezuiniger zijn dan membraandestillatie - bijvoorbeeld een proces dat omgekeerde osmose wordt genoemd - in het geval van zoute waterstromen, deze meer typische processen een formidabele hoeveelheid druk vereisen om de watermoleculen door het membraan te dwingen . Daardoor zijn ze minder praktisch voor het behandelen van zeer zoute beekjes.

Daarentegen zorgt membraandestillatie ervoor dat zouter water efficiënter kan worden gezuiverd dan met omgekeerde osmose en stelt wetenschappers in staat zouter afvalwater te zuiveren dat gewoonlijk wordt weggegooid omdat het niet efficiënt kan worden gereinigd door traditionele waterbehandelingsprocessen.

Het probleem, zei McGaughey, is dat de membranen die het afvalwater filteren, extreem nat kunnen worden. "Bij omgekeerde osmose gebruiken we dichte membranen die niet-poreus zijn, zodat alleen watermoleculen erdoorheen komen, maar bij membraandestillatie zijn er gaten in de membranen die besmetting kunnen veroorzaken als ze nat worden," zei ze.

Membraandestillatie optimaliseren om de waterbestendigheid van membranen te vergroten

Ontzilting is inherent een kostbaar en energie-intensief proces vanwege de chemische eigenschappen van zout en water. Zout lost gemakkelijk op in water, waardoor bindingen ontstaan ​​die heel moeilijk te verbreken zijn, aldus de onderzoekers.

"Als we de keuze hadden, zouden we helemaal niet ontzilten," zei McGaughey, "maar we hebben dat water steeds meer nodig."

Bij membraandestillatie wordt volgens McGaughey een verwarmde zoute stroom aan de ene kant van een droog membraan geplaatst en aan de andere kant een koele, zuivere waterstroom. Het temperatuurverschil tussen de twee stromen is de drijvende kracht die water van de ene naar de andere kant verplaatst. Om zuiver water te scheiden van zout en andere verontreinigingen, verschuiven de watermoleculen in de zoute stroom door de hitte van een vloeistof in een dampgas.

In de poriën van het droge membraan bevindt zich een kleine luchtspleet die zorgt voor dampverzameling, die optreedt wanneer het zoute water wordt opgewarmd en verdampt, door het membraan gaat terwijl het zout achterblijft. Omdat de luchtspleet klein is, is er niet veel warmte nodig om het zoute water in damp te veranderen, wat betekent dat je zonne-energie kunt gebruiken om de zoute vloeistof op te warmen. De damp vertegenwoordigt het gezuiverde water of destillaat, dat aan de andere kant van het membraan wordt gekoeld — door het koude water — en terugkeert naar een vloeibare vorm.

De weerstand van het membraan tegen vloeibaar water, of weerstand tegen bevochtiging, is essentieel om ervoor te zorgen dat de destillaatstroom daadwerkelijk wordt gezuiverd in plaats van verontreinigd. Wanneer het membraan nat wordt, mengt vloeibaar water zich uit het afvalwater of de zoute stroom in de gezuiverde waterstroom, waardoor een output van mindere kwaliteit ontstaat - misschien zelfs een wateroutput die niet aan de drinkbaarheidsnormen zou voldoen.

Proberen te achterhalen hoe een membraan zijn bevochtigingsweerstand op een fundamenteel niveau verliest en hoe dit kan worden voorkomen door hydrofobiciteit van het membraanmateriaal en de poriegrootte, is de sleutel, aldus de onderzoekers.

"We hebben membranen die nu werken, maar als je naar extreem hoge zoutgehaltes gaat en je krijgt zoutprecipitatie op het membraanoppervlak, is dat nog steeds een grote uitdaging", zei McGaughey.

Opkomende uitdagingen in de watervoorziening

"Het beheer van afvalstromen met een hoog zoutgehalte is een grote uitdaging, bijvoorbeeld industriële afvalstromen," zei McGaughey.

"Het [membraandestillatie] zal nooit energiezuiniger zijn dan omgekeerde osmose, maar het kan thermische zonne-energie of laagwaardige 'afvalwarmte' gebruiken, wat betekent dat het kan vertrouwen op groene energie. Dit betekent minder koolstofemissies dan de elektriciteit we gebruiken om omgekeerde osmose aan te drijven en het kan ook hogere zoutstromen bereiken," zei ze.

In plaats van dat een enkel proces een op zichzelf staande oplossing is, zei McGaughey dat membraandestillatie een aanvulling zou kunnen zijn op omgekeerde osmose, bijvoorbeeld iets dat u stroomafwaarts (verder in het waterbehandelingsproces) kunt gebruiken na een omgekeerde osmosebehandeling.

"Membraandestillatie kan worden gebruikt op de afgekeurde zoutwaterstroom die uit omgekeerde osmose komt om het beschikbare water te maximaliseren", zei ze.

McGaughey zei ook dat membraandestillatie ook toepassingen zou kunnen hebben in landelijke en niet-geëlektrificeerde regio's.