(Phys.org) —Computationele modellering heeft materiaalonderzoekers nieuw inzicht gegeven in de eigenschappen van een membraan dat zout water zuivert tot drinkbaar water. De resulterende technologie zou kunnen helpen bij het versnellen van inefficiënte ontziltingsprocessen die tegenwoordig worden gebruikt.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory en het Rensselaer Polytechnic Institute gebruikten supercomputersimulaties bij RPI's Center for Computational Innovations om het zuiveringspotentieel te onderzoeken van een hybride materiaal genaamd grafeenoxide-frameworks, of GOF's, voor het eerst geïntroduceerd in 2010.

"Dit zijn in feite vellen geoxideerd grafeen verbonden door specifieke chemische linkers van sommige van de oxidatieplaatsen, " zei Bobby Sumpter van ORNL. "Omdat het voornamelijk is samengesteld uit sterk gebonden koolstof, het ontleedt niet in water en heeft goede mechanische eigenschappen. Het is een opwindend materiaal met potentieel voor tal van toepassingen."

Aanvankelijk geïntrigeerd door de afstembare elektronische eigenschappen van GOF's, Vincent Meunier van Sumpter en RPI realiseerde zich al snel dat het materiaal als ontziltingsmembraan kon worden gebruikt.

Omgekeerde osmose systemen, die ongeveer 40 procent van de ontziltingscapaciteit van de wereld uitmaken, zoet water genereren door druk uit te oefenen om zout water door een semi-permeabel membraan te persen.

"Een groot probleem bij ontzilting is snelheid - hoeveel water kun je per dag doordrukken, zei Meunier, de Gail en Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation Professor of Physics, Informatie Technologie, en Ondernemerschap bij RPI. "Je kunt een geweldig membraanmateriaal hebben, maar als je maar een kopje water per dag kunt behandelen, dat zal niet nuttig of kosteneffectief zijn."

Na het ontwikkelen van rekenmodellen om de interacties tussen de atomen van het materiaal te beschrijven, sumpter, Adrien Nicolaï van Meunier en RPI wilden de ideale configuratie voor een GOF-ontziltingsmembraan berekenen. Ze gebruikten krachtige computers om te simuleren hoe laagdikte, de dichtheid van de verbindende pijlers, en uitgeoefende druk beïnvloeden de prestaties van het materiaal.

"Er is een goede plek voor de dichtheid van de linkers, " zei Meunier. "Als je een hoge dichtheid aan linkers hebt, het zal super selectief zijn, maar het zal het ook vertragen. Je hebt zowel selectiviteit als doorlaatbaarheid nodig."

Uit de simulaties bleek dat het verfijnen van de GOF-structuur resulteert in het vermogen om alle ionen uit zout water veel sneller te verwijderen - ongeveer 100 keer sneller dan de materialen die momenteel worden gebruikt als membranen voor omgekeerde osmose. Het gebruik van waterafstotend grafeen als onderdeel van het poreuze membraan draagt ​​bij aan de verhoogde prestaties.

"Water probeert te vermijden in contact te komen met grafeen, dus je kunt het zo ontwerpen dat je het water dwingt om niet dicht bij de ene laag te zijn, maar ook niet om dicht bij de andere te zijn, "Zei Meunier. "Dit effect creëert kanalen, die het water zeer snel door het systeem leiden."

De meest recente simulaties van het team waren gericht op het verwijderen van zoutionen, maar de onderzoekers merken op dat het GOF-materiaal kan worden gebruikt als filtratiemembranen voor andere verontreinigingen zoals bacteriën. Omdat GOF's in overvloed worden gemaakt, goedkope materialen via een standaard fabricageproces, de onderzoekers zijn ook van mening dat de op GOF gebaseerde membranen kunnen helpen ontzilting economisch haalbaarder te maken.

"Wij geloven dat het schaalbaar is, dat de chemische industrie het potentieel in bulk zou kunnen produceren, ' zei Sumpter.

De nieuwste resultaten van het team zijn gepubliceerd als "Tunable water ontzilting over grafeenoxide raamwerkmembranen" in het tijdschrift Fysische chemie Chemische fysica . Het Office of Naval Research en het Department of Energy's Office of Science ondersteunden het onderzoek.

Sumpter voegt eraan toe dat het project van het team illustreert hoe interdisciplinaire samenwerkingen - een combinatie van materiaalwetenschap, fysische chemie, biofysica en computationele simulatie kunnen significante resultaten opleveren.

"Begrip in verschillende disciplines is van cruciaal belang voor het mogelijk maken van deze belangrijke voorbeelden van wetenschap, " zei hij. "Dat is het voordeel van nanowetenschap, waar meerdere velden samenkomen om een ​​probleem op te lossen dat belangrijk is voor de samenleving."