In een wereldprimeur, een internationaal onderzoeksteam, geleid door Monash University en ANSTO, heeft een ultradun poreus membraan gecreëerd om potentieel schadelijke ionen volledig te scheiden, zoals lood en kwik, uit water.

Deze innovatie kan het ontziltingsproces verbeteren en het smerigste water transformeren in iets drinkbaars voor miljoenen mensen over de hele wereld. Het membraan presteerde gestaag gedurende meer dan 750 uur met beperkte energie. Het zou ook op wereldschaal kunnen worden vervaardigd, in afwachting van verdere testen.

Onderzoekers ontwikkelden voor het eerst waterstabiele monolaag aluminium tetra-(4-carboxyfenyl) porfyrine-frameworks (AI-MOF's genoemd) nanosheets, en demonstreerden hun bijna perfectie als bouwmaterialen voor membranen bij ionenscheiding uit water.

Deze Al-MOF's nanosheets, geëxfolieerd tot slechts een nanoschaal dik, kan helpen schadelijke kankerverwekkende stoffen uit de atmosfeer te verwijderen door zeer poreuze membranen te creëren om de scheidingsprocessen van gassen en organische oplosmiddelen te vergemakkelijken, zoals verf.

Resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De studie werd geleid door professor Xiwang Zhang, Onderzoeker bij de afdeling Chemical Engineering aan de Monash University en directeur van de ARC Research Hub for Energy-efficient Separation, en Dr. Qinfen Gu, Principal Scientist bij ANSTO's Australian Synchrotron.

"Vanwege de rijke porositeit en uniforme poriegrootte, Metal Organic Frameworks (MOF's) bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere materialen voor de nauwkeurige en snelle membraanscheiding, ' zei professor Zhang.

"Echter, het blijft een enorme uitdaging om ultradunne MOFs-membranen (minder dan 100 nanometer) te fabriceren voor watergerelateerde verwerking, aangezien de meeste gerapporteerde MOFs-membranen typisch dik zijn en lijden aan onvoldoende hydrolytische stabiliteit.

"In deze eerste studie ter wereld, we waren in staat om deze ultradunne Al-MOF's te gebruiken om een ​​membraan te creëren dat doorlaatbaar is voor water en tegelijkertijd een maximale porositeit bereikt met bijna 100 procent afstoting van ionen. Deze studie is veelbelovend voor de toekomstige toepassing van dit membraan op andere filtratieprocessen, zoals gasscheiding."

Polymeren zijn verreweg de meest voorkomende membraanmaterialen, grotendeels dankzij hun gemakkelijke verwerkbaarheid en lage kosten, suggereert de studie.

Echter, traditionele polymere membranen voor ionenscheiding uit water bevatten meestal een dichte selectieve laag, leidt tot beperkte selectiviteit. In tegenstelling tot, nanoporeuze membranen, waar uniforme nanoporiën fungeren als de zeefrol, kan deze beperking overwinnen.

Deze baanbrekende studie bevestigt dat de intrinsieke nanoporiën van Al-MOF's nanosheets de ion/waterscheiding vergemakkelijken door verticaal uitgelijnde kanalen te creëren als de belangrijkste transportroute voor watermoleculen, en werd mogelijk gemaakt door het unieke vermogen van de Australische Synchrotron om materialen op moleculair niveau te analyseren.

"We gebruiken een instrument genaamd de poederdiffractiebundellijn bij ANSTO's Australische Synchrotron, om het verschil tussen de moleculaire structuur van nanosheet-monsters te begrijpen, en monsters bij verschillende temperaturen, om de prestaties van de waterzuivering te testen, ' zei dokter Gu.

"De techniek, ter plaatse genoemd, hoge temperatuur poeder röntgendiffractie karakterisering, werd uitgevoerd op de nanosheets, en tijdens het proces waren er geen duidelijke variaties in de monsters bij toenemende temperatuur, bewijzen hun robuustheid."