Ingenieurs van de Universiteit van Illinois hebben een energie-efficiënt materiaal gevonden voor het verwijderen van zout uit zeewater dat een weerlegging zou kunnen zijn van de klaagzang van dichter Samuel Taylor Coleridge, "Water, water, overal, noch een druppel te drinken."

Het materiaal, een nanometer dik vel molybdeendisulfide (MoS2) bezaaid met kleine gaatjes die nanoporiën worden genoemd, is speciaal ontworpen om grote hoeveelheden water door te laten maar zout en andere verontreinigingen buiten te houden, een proces dat ontzilting wordt genoemd. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , het Illinois-team modelleerde verschillende dunnefilmmembranen en ontdekte dat MoS2 de grootste efficiëntie vertoonde, filteren door tot 70 procent meer water dan grafeenmembranen.

"Ook al hebben we veel water op deze planeet, er is heel weinig dat drinkbaar is, " zei studieleider Narayana Aluru, een U. of I. hoogleraar mechanische wetenschappen en techniek. "Als we een goedkope, efficiënte manier om zeewater te zuiveren, we zouden goede vorderingen maken bij het oplossen van de watercrisis.

"Het vinden van materialen voor efficiënte ontzilting is een groot probleem geweest, en ik denk dat dit werk de basis legt voor materialen van de volgende generatie. Deze materialen zijn efficiënt in termen van energieverbruik en vervuiling, dat zijn problemen die ontziltingstechnologie lange tijd hebben geteisterd, " zei Aluru, die ook verbonden is aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de U. of I.

De meeste beschikbare ontziltingstechnologieën zijn gebaseerd op een proces dat omgekeerde osmose wordt genoemd om zeewater door een dun plastic membraan te duwen om zoet water te maken. Het membraan heeft gaten die klein genoeg zijn om geen zout of vuil door te laten, maar groot genoeg om water door te laten. Ze zijn erg goed in het uitfilteren van zout, maar levert slechts een straaltje zoet water op. Hoewel dun voor het oog, deze membranen zijn nog relatief dik voor filtering op moleculair niveau, dus er moet veel druk worden uitgeoefend om het water erdoor te duwen.

"Omgekeerde osmose is een erg duur proces, " zei Aluru. "Het is zeer energie-intensief. Er is veel kracht nodig om dit proces te doen, en het is niet erg efficiënt. In aanvulling, de membranen falen door verstopping. Dus we willen het goedkoper maken en de membranen efficiënter maken, zodat ze niet zo vaak kapot gaan. We willen ook niet veel druk hoeven te gebruiken om een ​​hoog waterdebiet te krijgen."

Een manier om de waterstroom drastisch te vergroten, is door het membraan dunner te maken, omdat de vereiste kracht evenredig is met de membraandikte. Onderzoekers hebben gekeken naar nanometerdunne membranen zoals grafeen. Echter, grafeen presenteert zijn eigen uitdagingen in de manier waarop het in wisselwerking staat met water.

De groep van Aluru heeft eerder MoS2-nanoporiën bestudeerd als een platform voor DNA-sequencing en besloot de eigenschappen ervan voor waterontzilting te onderzoeken. Met behulp van de Blue Waters-supercomputer in het National Center for Supercomputing Applications aan de U. of I., ze ontdekten dat een enkellaags vel MoS2 beter presteerde dan zijn concurrenten dankzij een combinatie van dunheid, poriëngeometrie en chemische eigenschappen.

Een MoS2-molecuul heeft één molybdeenatoom ingeklemd tussen twee zwavelatomen. Een vel MoS2, dan, heeft aan weerszijden een zwavellaag met het molybdeen in het midden. De onderzoekers ontdekten dat het creëren van een porie in de plaat die een zichtbare ring van molybdeen rond het midden van de porie achterliet, een mondstukachtige vorm creëerde die water door de porie trok.

"MoS2 heeft inherente voordelen doordat het molybdeen in het centrum water aantrekt, dan duwt de zwavel aan de andere kant het weg, dus we hebben veel meer water door de porie, " zei afgestudeerde student Mohammad Heiranian, de eerste auteur van de studie. "Het is inherent aan de chemie van MoS2 en de geometrie van de porie, dus we hoeven de porie niet te functionaliseren, dat is een zeer complex proces met grafeen."

Naast de chemische eigenschappen, de enkellaagse platen van MoS2 hebben de voordelen van dunheid, veel minder energie nodig, wat op zijn beurt de bedrijfskosten drastisch verlaagt. MoS2 is ook een robuust materiaal, dus zelfs zo'n dunne plaat is bestand tegen de nodige drukken en watervolumes.

De Illinois-onderzoekers gaan samenwerkingsverbanden aan om MoS2 experimenteel te testen op ontzilting van water en om de mate van vervuiling te testen, of verstopping van de poriën, een groot probleem voor kunststofmembranen. MoS2 is een relatief nieuw materiaal, maar de onderzoekers zijn van mening dat de productietechnieken zullen verbeteren naarmate de hoge prestaties meer gewild worden voor verschillende toepassingen.

"Nanotechnologie zou een grote rol kunnen spelen bij het verlagen van de kosten van ontziltingsinstallaties en het energiezuinig maken ervan, " zei Amir Barati Farimani, die aan de studie werkte als een afgestudeerde student in Illinois en nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Stanford University. "Ik ben nu in Californië, en er wordt veel gesproken over de droogte en hoe die aan te pakken. Ik heb goede hoop dat dit werk de ontwerpers van ontziltingsinstallaties kan helpen. Dit type dun membraan kan het investeringsrendement verhogen, omdat het veel energiezuiniger is."