Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben een sprong voorwaarts gemaakt in het overwinnen van een van de grootste problemen in membraantechnologie:membraanvervuiling.

Op membraan gebaseerde scheidingen zijn essentieel voor verschillende processen, zoals waterfiltratie en olie- en gasscheiding. Het gebruik van grafeen en andere 2D-materialen in membraantechnologie heeft veel aandacht getrokken vanwege de afstembaarheid van deze materialen, waardoor het mogelijk is om onzuiverheden te filteren die voorheen niet voor mogelijk werden gehouden.

Vervuiling is een onvermijdelijke gebeurtenis bij membraanscheiding, waar blokkades optreden in de poriën van een membraan, het stoppen van de stroom en voorkomen dat het membraan normaal functioneert. Vervuiling is een bijzonder ernstig probleem voor oliescheidingstechnologie vanwege het gemak waarmee de oliedruppels op het membraanoppervlak blijven kleven.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het team van de afdeling Chemical Engineering &Analytical Science, Henry Royce Institute en het National Graphene Institute in samenwerking met University College London (UCL), hebben aangetoond dat de geëxfolieerde tweedimensionale vorm van vermiculiet, een natuurlijk kleimineraal, kan worden gebruikt als aangroeiwerende coating voor olie-water scheiding.

Het is algemeen bekend dat het verhogen van de bevochtigbaarheid van water en het verminderen van de olieadhesie op een membraan membraanvervuiling als gevolg van olieafzetting kan verminderen. De wetenschappelijke gemeenschap heeft zich in het verleden voornamelijk gericht op het afstemmen van de oppervlaktelading van het membraan door chemische modificatie om de bevochtigbaarheid van water te verbeteren en zo vervuiling te verminderen. Deze pogingen zijn gedeeltelijk gelukt, maar langdurige aangroeiwerende eigenschappen moesten nog worden bereikt.

Nu heeft het team van de Universiteit van Manchester ontdekt dat de bevochtigende eigenschappen van vermiculietmembranen, bereid door vele lagen tweedimensionale vermiculietplaten op elkaar te stapelen, kan worden afgesteld van superhydrofiel naar hydrofoob door simpelweg de kationen die aanwezig zijn op het oppervlak en tussen de lagen vermiculiet uit te wisselen.

Verder, het team demonstreerde ook hoe deze ongebruikelijke eigenschap te benutten voor het verminderen van de membraanvervuiling tijdens olie-waterfiltratie door superhydrofiel lithium-uitgewisseld vermiculiet (lithiumvermiculiet) te gebruiken als coatinglaag voor commerciële microfiltratiemembranen.

Dr. Kun Huang, de hoofdauteur van het artikel zei:"Lithiumvermiculietmembranen bieden niet alleen superhydrofiliciteit, maar stoten ook oliedruppels af tijdens filtratie vanwege hun superoleofobe onderwatereigenschappen. De olie-adhesie onder water op met vermiculiet gecoate microfiltratiemembranen was meer dan 40 keer lager dan de niet-gecoate membraan."

De aangetoonde olie-waterscheiding is slechts één voorbeeld van het gebruik van superhydrofiele aangroeiwerende membranen. Hun toepassing zou kunnen worden uitgebreid naar andere gebieden, zoals het ontwikkelen van zelfreinigende oppervlakken, en aangroeiwerende filters voor biofiltratie.

Professor Rahul Raveendran Nair zei:"Het ontwikkelen van aangroeiwerende membranen voor olie-waterscheiding is een lang gezochte doelstelling voor wetenschappers en technologen, dat blijkt wel uit de snelle groei van het aantal publicaties op dit gebied. We zijn van mening dat ons werk een belangrijke vooruitgang biedt in het fundamentele begrip van de bevochtigingseigenschappen van vaste stoffen tot op moleculair niveau en een opmerkelijke mijlpaal is in de ontwikkeling van robuuste, vuilbestendige membraantechnologieën."

Het werk werd gedaan in samenwerking met wetenschappers van de afdeling Fysica en Astronomie van de UCL om het mechanisme van de ongebruikelijke waterbevochtigingsovergang in het vermiculietmembraan bij ionenuitwisseling te onderzoeken.

Patrick Roe, van UCL zei:"Onze studie laat zien hoe de details op atomaire schaal van de interactie tussen watermoleculen, oppervlakken en ionen zijn belangrijk voor het begrijpen van de oppervlakte-eigenschappen van vaste stoffen. De hoge wateraffiniteit en dus lagere oliedruppelinteractie van lithiumvermiculiet is te wijten aan de unieke rangschikking van watermoleculen op het oppervlak van lithiumvermiculiet."

Dr. Christie Cherian, die co-auteur van het artikel zei, "De aanwezigheid van ionen in het vermiculietmembraan hielp de watermoleculen stevig op het oppervlak vast te zetten, zelfs wanneer het membraan gedurende langere tijd aan olie wordt blootgesteld, een eigenschap die uniek is voor het met vermiculiet gecoate membraan, veelbelovend voor het gebruik als een langdurige aangroeiwerende coating.