(Phys.org) -- Hoewel oceanen en zeeën ongeveer 97% van het water op aarde bevatten, momenteel is slechts een fractie van een procent van de drinkwatervoorziening in de wereld afkomstig van ontzilt zout water. Om ons gebruik van zout water te vergroten, ontziltingstechnieken moeten energiezuiniger en goedkoper worden om duurzaam te zijn. In een nieuwe studie, twee materiaalwetenschappers van MIT hebben in simulaties aangetoond dat nanoporeus grafeen zout uit water kan filteren met een snelheid die 2-3 orden van grootte sneller is dan de beste commerciële ontziltingstechnologie van vandaag, omgekeerde osmose (RO). De onderzoekers voorspellen dat de superieure waterdoorlatendheid van grafeen kan leiden tot ontziltingstechnieken die minder energie vergen en kleinere modules gebruiken dan RO-technologie, tegen een prijs die zal afhangen van toekomstige verbeteringen in de fabricagemethoden voor grafeen.

De wetenschappers, David Cohen-Tanugi en Jeffrey C. Grossman van MIT, hebben hun studie over waterontzilting met enkellaags nanoporeus grafeen gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

"Dit werk toont aan dat sommige van de nadelen van de huidige ontziltingstechnieken kunnen worden vermeden door efficiëntere en gerichte membraanmaterialen uit te vinden, Grossman vertelde Phys.org . “In het bijzonder, op maat gemaakte nanostructurering van membranen zou kunnen zorgen voor daadwerkelijke waterstroom (met volledige zoutafstoting) via grootte-uitsluiting, wat leidt tot een veel hogere permeabiliteit in vergelijking met omgekeerde osmose.”

Het is niet de eerste keer dat onderzoekers het gebruik van nanoporeuze materialen voor ontzilting hebben onderzocht. In tegenstelling tot RO, die hoge druk gebruikt om langzaam watermoleculen (maar geen zoutionen) door een poreus membraan te duwen, nanoporeuze materialen werken onder lagere drukken en bieden goed gedefinieerde kanalen die zout water sneller kunnen filteren dan RO-membranen.

Echter, dit is de eerste keer dat wetenschappers de mogelijke rol van nanoporeus grafeen als filter voor ontzilting van water hebben onderzocht. Enkellaags grafeen, die slechts één koolstofatoom dik is, is het ultieme dunne membraan, waardoor het voordelig is voor waterontzilting, aangezien de waterstroom over een membraan omgekeerd evenredig is met de dikte van het membraan.

Met behulp van klassieke moleculaire dynamica-simulaties, Cohen-Tanugi en Grossman onderzochten de waterdoorlatendheid van nanoporeus grafeen met verschillende poriediameters (1,5 tot 62 Å). ² ) en poriënchemie. Zoals eerdere experimenten hebben aangetoond, nanoporiën kunnen op verschillende manieren in grafeen worden geïntroduceerd, inclusief heliumionenbundelboren en chemisch etsen. In hun simulaties de wetenschappers versterkten de nanoporiën door te passiveren, of afscherming, elk koolstofatoom aan de porierand met waterstofatomen of hydroxylgroepen.

“Omdat die koolstofatomen aan de porierand vrij reactief zouden zijn zonder passivering, op de een of andere manier onder realistische experimentele omstandigheden zullen ze waarschijnlijk een of andere vorm van chemische functionalisering hebben, ’, aldus Grosman. “Dit kan tot op zekere hoogte worden gecontroleerd, dus wilden we de twee grenzen van hydrofobe versus hydrofiele randchemie onderzoeken. Als we geen functionele groepen hadden (alleen kale koolstof), dan zouden binnen korte tijd watermoleculen dissociëren aan de porierand en waarschijnlijk die koolstofatomen hydrogeneren of hydroxyleren.”

De wetenschappers vergeleken de twee chemieën, samen met verschillende poriegroottes, van nanoporeus grafeen in hun simulaties door zout water met een zoutgehalte van 72 g/L over de membranen te laten lopen, dat is ongeveer twee keer het zoutgehalte van gemiddeld zeewater (ongeveer 35 g/L).

Ze vonden dat, hoewel de grootste nanoporiën het water met de hoogste snelheid kunnen filteren, grote nanoporiën lieten sommige zoutionen door. De simulaties identificeerden een tussenliggend bereik van nanoporiëndiameters waarbij de nanoporiën groot genoeg waren om watermoleculen door te laten, maar klein genoeg om zoutionen te beperken.

De simulaties toonden ook aan dat het gehydroxyleerde grafeen de waterdoorlatendheid aanzienlijk verbetert, die de wetenschappers toeschrijven aan de hydrofiele aard van de hydroxylgroepen. Sinds, in tegenstelling tot, de gehydrogeneerde poriën zijn hydrofoob, watermoleculen kunnen alleen doorstromen in een beperkt aantal zeer geordende configuraties. Maar hydrofiele groepen zorgen ervoor dat watermoleculen een groter aantal waterstofbindingsconfiguraties in de poriën hebben, en dit gebrek aan beperkingen verhoogt de waterstroom.

Algemeen, de resultaten laten zien dat nanoporeus grafeen theoretisch beter kan presteren dan RO-membranen in termen van waterdoorlatendheid, die wordt uitgedrukt in liters output per vierkante centimeter membraan per dag en per eenheid toegepaste druk. Terwijl high-flux RO een waterdoorlatendheid heeft van enkele tienden, de simulaties toonden aan dat de waterdoorlaatbaarheid van nanoporeus grafeen varieerde van 39 tot 66 voor porieconfiguraties die volledige zoutafstoting vertoonden (23,1 ). ² gehydrogeneerde poriën en 16,3 Å ² gehydroxyleerde poriën). Grafeen met de grootste gehydroxyleerde poriën bereikte 129, maar liet enige doorgang van zoutionen toe.

De wetenschappers leggen uit dat er twee belangrijke uitdagingen zijn voor het gebruik van nanoporeus grafeen voor ontziltingsdoeleinden. Een daarvan is het bereiken van een smalle poriegrootteverdeling, hoewel snelle experimentele vooruitgang bij het synthetiseren van zeer geordend poreus grafeen suggereert dat dit binnenkort mogelijk zal zijn. De andere uitdaging is mechanische stabiliteit onder uitgeoefende druk, wat zou kunnen worden bereikt met behulp van een dunne-film steunlaag zoals die wordt gebruikt in RO-materialen.

“Computationeel, we kijken naar een reeks andere potentieel nieuwe manieren om membranen te ontwikkelen voor ontzilting en decontaminatie, ’, aldus Grosman. “Experimenteel, we zijn momenteel bezig met het fabriceren van nanoporeuze membranen en hopen de komende maanden hun ontziltingsprestaties te testen.”

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.